软岩巷道顶板破碎机理及控制技术

杜 伟

（山西保利铁新煤业有限公司，山西 晋中 031302）

1 概述

山西保利铁新煤业有限公司二采区轨道巷位于井田东翼，巷道东部为二采区皮带巷，西部为井田边界保护煤柱且与汾西灵北煤矿相邻，北部为二采区回风巷。

二采区轨道巷设计长度为1515 m，巷道为矩形断面，断面规格为宽×高=4.2 m×3.2 m。巷道掘进煤层为2#煤层，煤层可采厚度为0.8 m。煤层直接顶及基本顶主要以泥岩为主，局部掺杂砂质泥岩和砂岩，平均厚度为4.28 m。

二采区轨道巷掘进至465 m处将揭露一条F3正断层，断层落差为1.7 m，倾角为50°。受断层应力以及掘进集中应力影响，掘进至450 m处时，巷道围岩出现失稳现象，主要表现在顶板出现断裂、离层垮落以及两帮煤柱破碎收敛等现象，导致巷道成型效果差，巷道顶板成尖锥状。巷道原永久支护对应区顶板支护效果差，顶板钢带不接顶、锚杆失效等现象严重。

2 巷道围岩破碎机理

（1）断层影响。二采区轨道巷在465 m处揭露一条正断层，断层破坏了掘进巷道煤岩层稳定性，断层附近煤岩体裂隙发育，在构造应力以及巷道开挖等集中应力作用下断层附近围岩出现裂隙扩张破坏作用，降低了围岩力学结构性质，导致围岩破碎现象。

（2）顶板稳定性差。二采区轨道巷直接顶主要以泥岩、砂质泥岩和砂岩混合岩层为主，岩体以层状结构为主，不同互层之间出现离层等现象，岩层单轴抗压强度不足20 MPa，当巷道在集中应力作用下，顶板承载能力大大降低，顶板出现断裂破碎现象。

（3）两帮煤柱承载能力低。由于二采区轨道掘进的2#煤层均厚为0.8 m，巷道掘进高度为3.2 m，巷道沿2#煤层底板掘进，导致巷道两帮煤柱为煤层与泥岩混合层，煤柱承载能力低，在应力作用下煤柱出现收敛、垮落等破坏现象，从而导致顶板与巷帮之间肩角煤柱垮落。

（4）支护效果差。二采区轨道巷前期掘进过程中顶板采用的锚杆长度为2.0 m，直径为18 mm，锚杆间距为0.95 m，排距为1.0 m；而原顶板在受集中应力作用下顶板往上2.5 m范围内岩体出现破碎、裂隙现象，且随着顶板暴露时间以及支护弱化作用破碎区向岩体深部延伸，形成围岩松动圈，当松动圈范围扩大至锚杆锚固段时，导致锚杆失效现象严重。

3 破碎围岩联合控制技术

3.1 注浆加固

为了提高轨道巷应力区顶板整体稳定性[1-5]，决定对应力区巷道顶板采取注浆加固技术。

（1）注浆钻孔施工在迎头煤壁上，所有钻孔距顶板1.0 m，每排布置四个注浆钻孔（钻孔编号为1#、2#、3#、4#），钻孔间距为1.3 m，钻孔深度为5.0 m，直径为50 mm。

（2）其中1#、4#钻孔为肩角钻孔，2#、3#钻孔为顶板钻孔，1#～4#钻孔仰角为60°，2#、3#钻孔水平角为0°，1#、4#钻孔水平角为20°，钻孔布置排距为5.0 m，如图1。

图1 二采区轨道顶板注浆钻孔布置示意图

（3）注浆钻孔施工完后采用海带、纱布、水泥浆对孔口0.2 m范围内进行封堵，同时对钻孔内安装长度为2.5 m注浆花管并进行注浆施工，注浆液采用水泥与水玻璃混合浆液。

3.2 原顶板支护优化

为了提高顶板永久支护质量，降低顶板支护失效率，决定对原顶板锚杆、锚索支护进行合理优化。

（1）优化后顶板采用端头膨胀螺纹式钢锚杆，锚杆长度为3.0 m，直径为22 mm。锚杆端头安装一个长度为0.3 m膨胀器，锚杆在高速搅拌锚固过程中膨胀器发生膨胀作用，提高了锚杆端头锚固效果，同时膨胀器对钻孔壁进行挤压，控制端头钻孔壁裂隙扩张破坏作用。顶板每排布置5根端头膨胀锚杆，锚杆间排距为1.0 m，每排锚杆外露端安装一根长度为4.2 m、宽度为0.38 m“JW”型钢带，如图2。

图2 二采区轨道巷破碎顶板优化后支护断面示意图（单位：mm）

（2）优化后顶板锚索采用“三.三”布置方式，锚索长度变更为8.0 m，直径为21.8 mm，锚索间距为1.5 m，排距为3.0 m。锚索施工后在外露端安装一根长度为3.5 m“W”型钢梁对顶板进行预紧固定。与传统工字钢梁相比，W型钢梁具有支护断面大、支护强度高且变形率低等优点。

3.3 梯形双梁支护

为了进一步提高应力区顶板稳定性，巷道顶板永久支护优化后以及注浆完成后，对巷道架设梯形双梁钢棚。

（1）梯形双梁钢棚主要由梯形双顶梁、棚腿、底座、卡缆等部分组成。顶梁长4.0 m，宽0.5 m，顶梁主要由两根长度为4.2 m槽钢通过连接钢梁焊接而成。

（2）棚腿长度为3.2 m，主要由12#工字钢梁制成。棚腿与顶梁之间采用夹板以及螺母进行固定，棚腿底座安装在底板以下0.2 m处，底座安装后采用混凝土对其与顶板进行浇筑固定。

（3）安装间距为1.5 m，梯形双梁钢棚滞后工作面迎头3 m安装，梯形双梁每安装5架后及时对钢棚棚腿之间安装连接杆进行联锁固定，钢棚在安装过程中因顶板破碎、变形导致顶梁与顶板接触不严实时，在顶梁与顶板之间必须采用水泥背板进行填充。

4 效果

铁新煤矿分析了二采区轨道巷顶板破碎机理，并提出了合理有效的围岩控制技术，通过实际应用取得了显著应用成效。

（1）通过对二采区轨道巷顶板采取注浆加固技术后，有效控制了应力作用下顶板裂隙发育现象，防止了裂隙扩张破坏作用导致顶板出现破碎、断裂现象，对围岩裂隙进行有效的填充和封堵。

（2）通过对原顶板永久支护进行优化，采用端头膨胀锚杆以及W型锚索梁棚支护后，解决了传统锚杆支护时支护长度不足、支护强度低、锚固效果差等技术难题，起到了支护体对顶板的悬吊以及组合梁作用。

（3）二采区轨道破碎巷顶板采用矩形钢棚后，降低了集中应力对顶板及两帮煤柱破坏作用，减少了顶板下沉量，有效提高了顶板支护作用。

截至2020年7月二采区轨道巷已掘进到位，通过对F3断层应力区顶板支护优化后，巷道顶板下沉量控制0.14 m以下，两帮收敛量控制0.24 m以下，大大提高了巷道成型率，提高了巷道围岩整体稳定性，取得了显著应用成效。