軟巖巷道頂板破碎機(jī)理及控制技術(shù)

杜 偉

（山西保利鐵新煤業(yè)有限公司，山西 晉中 031302）

1 概述

山西保利鐵新煤業(yè)有限公司二采區(qū)軌道巷位于井田東翼，巷道東部為二采區(qū)皮帶巷，西部為井田邊界保護(hù)煤柱且與汾西靈北煤礦相鄰，北部為二采區(qū)回風(fēng)巷。

二采區(qū)軌道巷設(shè)計長度為1515 m，巷道為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=4.2 m×3.2 m。巷道掘進(jìn)煤層為2#煤層，煤層可采厚度為0.8 m。煤層直接頂及基本頂主要以泥巖為主，局部摻雜砂質(zhì)泥巖和砂巖，平均厚度為4.28 m。

二采區(qū)軌道巷掘進(jìn)至465 m處將揭露一條F3正斷層，斷層落差為1.7 m，傾角為50°。受斷層應(yīng)力以及掘進(jìn)集中應(yīng)力影響，掘進(jìn)至450 m處時，巷道圍巖出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在頂板出現(xiàn)斷裂、離層垮落以及兩幫煤柱破碎收斂等現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道成型效果差，巷道頂板成尖錐狀。巷道原永久支護(hù)對應(yīng)區(qū)頂板支護(hù)效果差，頂板鋼帶不接頂、錨桿失效等現(xiàn)象嚴(yán)重。

2 巷道圍巖破碎機(jī)理

（1）斷層影響。二采區(qū)軌道巷在465 m處揭露一條正斷層，斷層破壞了掘進(jìn)巷道煤巖層穩(wěn)定性，斷層附近煤巖體裂隙發(fā)育，在構(gòu)造應(yīng)力以及巷道開挖等集中應(yīng)力作用下斷層附近圍巖出現(xiàn)裂隙擴(kuò)張破壞作用，降低了圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)，導(dǎo)致圍巖破碎現(xiàn)象。

（2）頂板穩(wěn)定性差。二采區(qū)軌道巷直接頂主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖混合巖層為主，巖體以層狀結(jié)構(gòu)為主，不同互層之間出現(xiàn)離層等現(xiàn)象，巖層單軸抗壓強(qiáng)度不足20 MPa，當(dāng)巷道在集中應(yīng)力作用下，頂板承載能力大大降低，頂板出現(xiàn)斷裂破碎現(xiàn)象。

（3）兩幫煤柱承載能力低。由于二采區(qū)軌道掘進(jìn)的2#煤層均厚為0.8 m，巷道掘進(jìn)高度為3.2 m，巷道沿2#煤層底板掘進(jìn)，導(dǎo)致巷道兩幫煤柱為煤層與泥巖混合層，煤柱承載能力低，在應(yīng)力作用下煤柱出現(xiàn)收斂、垮落等破壞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致頂板與巷幫之間肩角煤柱垮落。

（4）支護(hù)效果差。二采區(qū)軌道巷前期掘進(jìn)過程中頂板采用的錨桿長度為2.0 m，直徑為18 mm，錨桿間距為0.95 m，排距為1.0 m；而原頂板在受集中應(yīng)力作用下頂板往上2.5 m范圍內(nèi)巖體出現(xiàn)破碎、裂隙現(xiàn)象，且隨著頂板暴露時間以及支護(hù)弱化作用破碎區(qū)向巖體深部延伸，形成圍巖松動圈，當(dāng)松動圈范圍擴(kuò)大至錨桿錨固段時，導(dǎo)致錨桿失效現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 破碎圍巖聯(lián)合控制技術(shù)

3.1 注漿加固

為了提高軌道巷應(yīng)力區(qū)頂板整體穩(wěn)定性[1-5]，決定對應(yīng)力區(qū)巷道頂板采取注漿加固技術(shù)。

（1）注漿鉆孔施工在迎頭煤壁上，所有鉆孔距頂板1.0 m，每排布置四個注漿鉆孔（鉆孔編號為1#、2#、3#、4#），鉆孔間距為1.3 m，鉆孔深度為5.0 m，直徑為50 mm。

（2）其中1#、4#鉆孔為肩角鉆孔，2#、3#鉆孔為頂板鉆孔，1#～4#鉆孔仰角為60°，2#、3#鉆孔水平角為0°，1#、4#鉆孔水平角為20°，鉆孔布置排距為5.0 m，如圖1。

圖1 二采區(qū)軌道頂板注漿鉆孔布置示意圖

（3）注漿鉆孔施工完后采用海帶、紗布、水泥漿對孔口0.2 m范圍內(nèi)進(jìn)行封堵，同時對鉆孔內(nèi)安裝長度為2.5 m注漿花管并進(jìn)行注漿施工，注漿液采用水泥與水玻璃混合漿液。

3.2 原頂板支護(hù)優(yōu)化

為了提高頂板永久支護(hù)質(zhì)量，降低頂板支護(hù)失效率，決定對原頂板錨桿、錨索支護(hù)進(jìn)行合理優(yōu)化。

（1）優(yōu)化后頂板采用端頭膨脹螺紋式鋼錨桿，錨桿長度為3.0 m，直徑為22 mm。錨桿端頭安裝一個長度為0.3 m膨脹器，錨桿在高速攪拌錨固過程中膨脹器發(fā)生膨脹作用，提高了錨桿端頭錨固效果，同時膨脹器對鉆孔壁進(jìn)行擠壓，控制端頭鉆孔壁裂隙擴(kuò)張破壞作用。頂板每排布置5根端頭膨脹錨桿，錨桿間排距為1.0 m，每排錨桿外露端安裝一根長度為4.2 m、寬度為0.38 m“JW”型鋼帶，如圖2。

圖2 二采區(qū)軌道巷破碎頂板優(yōu)化后支護(hù)斷面示意圖（單位：mm）

（2）優(yōu)化后頂板錨索采用“三.三”布置方式，錨索長度變更為8.0 m，直徑為21.8 mm，錨索間距為1.5 m，排距為3.0 m。錨索施工后在外露端安裝一根長度為3.5 m“W”型鋼梁對頂板進(jìn)行預(yù)緊固定。與傳統(tǒng)工字鋼梁相比，W型鋼梁具有支護(hù)斷面大、支護(hù)強(qiáng)度高且變形率低等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 梯形雙梁支護(hù)

為了進(jìn)一步提高應(yīng)力區(qū)頂板穩(wěn)定性，巷道頂板永久支護(hù)優(yōu)化后以及注漿完成后，對巷道架設(shè)梯形雙梁鋼棚。

（1）梯形雙梁鋼棚主要由梯形雙頂梁、棚腿、底座、卡纜等部分組成。頂梁長4.0 m，寬0.5 m，頂梁主要由兩根長度為4.2 m槽鋼通過連接鋼梁焊接而成。

（2）棚腿長度為3.2 m，主要由12#工字鋼梁制成。棚腿與頂梁之間采用夾板以及螺母進(jìn)行固定，棚腿底座安裝在底板以下0.2 m處，底座安裝后采用混凝土對其與頂板進(jìn)行澆筑固定。

（3）安裝間距為1.5 m，梯形雙梁鋼棚滯后工作面迎頭3 m安裝，梯形雙梁每安裝5架后及時對鋼棚棚腿之間安裝連接桿進(jìn)行聯(lián)鎖固定，鋼棚在安裝過程中因頂板破碎、變形導(dǎo)致頂梁與頂板接觸不嚴(yán)實(shí)時，在頂梁與頂板之間必須采用水泥背板進(jìn)行填充。

4 效果

鐵新煤礦分析了二采區(qū)軌道巷頂板破碎機(jī)理，并提出了合理有效的圍巖控制技術(shù)，通過實(shí)際應(yīng)用取得了顯著應(yīng)用成效。

（1）通過對二采區(qū)軌道巷頂板采取注漿加固技術(shù)后，有效控制了應(yīng)力作用下頂板裂隙發(fā)育現(xiàn)象，防止了裂隙擴(kuò)張破壞作用導(dǎo)致頂板出現(xiàn)破碎、斷裂現(xiàn)象，對圍巖裂隙進(jìn)行有效的填充和封堵。

（2）通過對原頂板永久支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，采用端頭膨脹錨桿以及W型錨索梁棚支護(hù)后，解決了傳統(tǒng)錨桿支護(hù)時支護(hù)長度不足、支護(hù)強(qiáng)度低、錨固效果差等技術(shù)難題，起到了支護(hù)體對頂板的懸吊以及組合梁作用。

（3）二采區(qū)軌道破碎巷頂板采用矩形鋼棚后，降低了集中應(yīng)力對頂板及兩幫煤柱破壞作用，減少了頂板下沉量，有效提高了頂板支護(hù)作用。

截至2020年7月二采區(qū)軌道巷已掘進(jìn)到位，通過對F3斷層應(yīng)力區(qū)頂板支護(hù)優(yōu)化后，巷道頂板下沉量控制0.14 m以下，兩幫收斂量控制0.24 m以下，大大提高了巷道成型率，提高了巷道圍巖整體穩(wěn)定性，取得了顯著應(yīng)用成效。