管棚超前预支护在过破碎含水陷落柱中的应用

李冰哲

（山西晋煤集团沁秀公司岳城煤矿， 山西 晋城 048006）

引言

在巷道掘进过程中经常会遇到断层破碎带，它影响了掘进速度，而且给安全生产带来了负面因素。所以选择合理的支护方法是达到过断层陷落柱安全、快速、可靠的关键。特别在遇到含水量较大、顶板破碎严重的陷落柱构造区，需要采用先管棚注浆，后掘砌通过的施工方案，结合“短探、短注、短掘”工艺[1]，保证陷落柱区域顺利通过。以岳城煤矿1307工作面为例，工作面回采至390 m 时遇到陷落柱DX214，巷道顶底板变形严重且呈现流变性，采用了管棚预支护+超前预注浆+补强支护后，有效保持了顶底板围岩的整体结构，具有一定的借鉴意义。

1 现场概况

岳城煤矿1307 工作面为该矿西翼第三个工作面。该工作面长度756 m，可采长度708 m，煤层的平均厚度为4.66 m，采高3 m，煤层倾角1°～9°，工作面主要构造为陷落柱和正断层。其工作面位置如图1。

图1 1307 工作面及DX214 陷落柱位置图

1307 工作面回采至390 m 时，物探报告分析存在陷落柱DX214，长轴约72 m，短轴约65 m，陷落柱影响巷道前方至少100 m 范围。陷落柱前后50 m 左右范围内巷道顶底板围岩变形严重且不规则分布，松散软岩呈现出较强的流变性。因此有必要对陷落柱前后进行管棚预支护+超前预注浆+补强支护的联合支护方法，保证工作面安全高效回采。

2 支护方案

2.1 方案选择

针对不导奥灰水地质条件下陷落柱情况设计不同的支护方案：

1）当陷落柱异常带区域顶板不破碎时，顺槽拟采用的设计方案为：架棚+锚杆（索）；大巷拟采用的设计方案为：架棚+锚杆（索）+喷砼全断面支护体系。

2）当陷落柱异常带区域顶板极度破碎时，顺槽拟采用的设计方案为：超前预注浆加固+架棚+锚杆（索）；大巷拟采用的设计方案为：超前预注浆加固+可伸缩性U 型金属棚+锚杆（索）+喷砼全断面支护体系[2]。

3）当陷落柱异常带区域顶板含水极度破碎时，拟采用的设计方案：超前管棚支护+预注浆加固+可伸缩性U 型金属棚支护体系。

2.2 参数设计

2.2.1 管棚尺寸

2.2.1.1 棚长度

采用长度小于10 m 的短管棚，管棚长度可按下式确定：

式中：L为管棚长度，m；φ 为围岩的内摩擦角，（°）；H为围岩的塌落高度，m。

根据岳城煤矿巷道围岩条件及巷道情况，巷道一次开挖长度一般为10 m，围岩塌落高度在5～13 m左右，同时结合岩体的内摩擦角φ，初取L=6 m。

2.2.1.2 钢管规格

钢管示意图如下页图2。

钢管一般采用热轧无缝钢管，首节管端削成锥状便于导向插入，两根钢管连接时宜采用100 mm 左右的丝扣连接。同时为便于水顺利流入钢管，安装时被切削的一面垂直朝上布置。

2.2.2 管棚位置参数

1）开孔位置。为保证管棚结构刚性，管棚的开孔位置不能与轮廓线过远，尤其是小直径管棚距离要求更高，一般取钢管中心距离开挖轮廓线30 cm。

2）环向间距。管棚间距与施工精度、相邻管棚间岩土的稳定性和防水系数相关。环向间距一般取0.3～0.4 m。

3）倾角。U 型棚钢管布置图如图3 所示。

图2 钢管示意图（单位：mm）

图3 管棚支护断面图（单位：mm）

钻孔施工时，为有效抵消钻头下垂引起的侵限问题，实际施工时会向巷道道轮廓外有个角度，一般根据管棚长度，仰角范围为1°～5°[3]。而对于含水量较大的巷道，管棚有一定的仰角有利于水的流入。由于本方案设计管棚长度6 m 为短管棚，所以采用较大仰角设计为5°，方向与线路中线平行。

4）搭接长度：U 型钢棚距为800 mm，为保证前后两根管棚搭接牢固可靠，设计钢管搭接长度为1 200 mm，如图4 所示。

支护效果图见图5。

图4 管棚搭接示意图（单位：mm）

图5 管棚支护效果图

2.3 施工要求

1）提前对构造进行探测，掌握构造类型、分布区域，为修改完善支护设计和巷道安全施工奠定前提基础。

2）微震爆破或使用机械掘进。炮掘时要合理布置掏槽，减少装药量，防止震动过大出现冒顶片帮事故。机械掘进时，截齿从巷中向周边破岩，预留周边用风镐刷大到设计断面。

3）超前支护。超前支护除了超前预注浆、使用探顶杆外，如果工作面围岩随掘随冒，采用撞楔法超前护帮护顶。如果工作面片帮严重，采取先架棚后出岩的方式施工，确保支架紧贴迎头岩面。

4）无论断层与陷落柱，极易于含水，如果过断层和陷落柱时，水量过大，支护时要考虑留有泄水孔。如果水量过大，探明水的来源，若水与承压水有关联，严格按照煤矿承压水防治要求执行。

5）由于构造带煤岩层松软破碎并一定程度含水，故锚杆锚索的可锚性与注浆质量密切相关。施工中，对锚杆和锚索的可锚性通过拉拔试验进行检测。滞后再次注浆对于增强可锚性有重要关系。

3 效果验证

工作面管棚预支护+预注浆通过陷落柱后，分别对巷道围岩应力和顶底板、两帮移近量进行对比监测。监测结果表明，工作面进入陷落柱后，巷道变形进入加速阶段，随后逐渐趋于收敛，在矿压监测周期一个月内收敛量达到稳定，破碎带围岩自稳。顶底板最大平均移近量为217 mm，两帮收敛量为133 mm；顶底板移近量均大于两帮收敛量。

4 结论

1307 工作面回采期间，随着工作面推进巷道初期顶板下沉量、顶底板收敛量和两帮变形速率均较快，两周左右后各项位移曲线逐渐变缓。30 d 内顶底板最大收敛量为217 mm，趋于稳定，巷道两帮30 d内最大收敛量为133 mm。说明基于管棚支护的超前加固联合支护技术对复杂地质条件下松软破碎煤岩巷道的变形控制极为有效，管棚支护对于缓解陷落柱柱体边界高应力变形效果明显。