超前管棚注浆支护在应力区巷道中应用

许 起

（长春兴煤业有限公司，山西 大同 037101）

断层是采掘施工过程中常见地质构造之一。断层会造成原来连续、 稳定的煤岩体在断层处出现空间错位[1-5]，破坏了原煤岩层的稳定结构，断层两侧煤岩体出现应力破坏现象，主要表现为裂隙增加、破碎等[6]。 掘进巷道在过断层期间主要采用锚杆（索）进行支护，而断层应力区煤岩体内形成围岩松动圈，锚杆（索）在支护时锚固效果差，在进行锚杆（索）预紧时，预紧力无法有效传递至稳定围岩内[7]，造成锚杆（索）失效率高，达不到预期支护效果。 以长春兴602 回风顺槽为研究对象，根据巷道掘进现状，对巷道过断层期间提出了超前管棚注浆支护，并对其应用效果进行分析。

2 工程概况

长春兴煤业有限公司602 回风顺槽位于井田南部，巷道东西走向布置，巷道东部为南盘区大巷，西部为井田边界，南部为601 工作面采空区，北部为602 工作面。

602 回风顺槽设计掘进长度为1 682 m，断面规格宽×高为4.5 m×3.6 m，掘进煤层为22#层，煤层平均厚度为9.5 m，平均倾角为2°，煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 602 回风顺槽掘进煤层顶底板岩性

602 回风顺槽采用综合机械化掘进工艺，截至2021年2月15日巷道已掘进420 m。巷道掘进期间围岩主要采用锚杆、锚索以及金属网联合支护，顶板锚杆每排布置5 根，布置间排距为1.0 m，锚杆长度为2.0 m；顶板每掘进3.0 m 布置一排锚索，共计3 根，锚索布置间距为1.8 m，锚索长度为6.3 m。

3 巷道前期掘进问题分析

3.1 巷道掘进现状

602 回风顺槽掘进至411 m 处揭露一条F176断层，断层落差为1.8 m，倾角为52°，断层对巷道掘进影响长度为76 m。巷道掘进至408 m 处时受该断层影响，巷道顶板及两帮围岩出现破碎以及收缩现象，当巷道掘进至415 m 处时顶板中部出现严重下沉，下沉量为0.47 m；同时由于受应力作用，巷道迎头煤岩体超前破坏严重，顶板承载强度低，巷道掘进后在施工永久支护时迎头煤体出现垮落、导致原锚杆（索）支护难度大、支护效果差。

3.2 顶板加强支护措施

为了提高602 回风顺槽在过F176 断层应力区时围岩稳定性，防止顶板垮落事故发生，初期对应力区顶板主要采取锚索吊棚进行加强支护。

602 回风顺槽从405 m 处对顶板施工锚索吊棚进行加强支护，每架吊棚主要由一根长度为4.2 m工字钢梁以及三根长度为6.3 m，直径为17.8 mm锚索组成，吊棚施工在相邻两根钢带间隙处顶板上，吊棚施工排距为2.0 m。

锚索吊棚施工完后前3 d 内锚索吊棚变形量相对较小，在3～7 d 范围内吊棚出现中部变形现象，在7 d 后局部吊棚中部出现撕裂，且吊棚附近围岩出现裂隙破碎圈，顶板破碎更加严重。

3.3 问题分析

通过现场对锚索吊棚支护现状进行分析，该支护在应力区主要存在以下几方面问题：

（1）支护截面积小：锚索吊棚采用的工字钢梁宽度为0.11 m，在支护时钢梁对顶板支护有效横截面宽度不足0.11 m，相对传统W型钢带支护相比，支护截面积相对较小，无法对面积破碎顶板起到有效支护作用。

（2）支护变形率高：锚索吊棚在支护时通过锁具对钢梁腰部进行预紧实现加强支护作用，而工字钢梁腰部厚度为40 mm，承载强度不足240 kN/m2，在应力区支护时当围岩出现蠕动变形造成钢梁受力加大，钢梁腰部很容易出现断裂现象。

（3）切顶破坏严重：传统锚索吊棚属于线性主动支护，在支护过程中钢梁对顶板承载区主要集中在钢梁两侧，而钢梁两侧宽度小，成线性结构，在对顶板支护过程中钢梁两侧对顶板产生线性切顶破坏作用[8]，从而加剧了顶板破碎。

（4）无法实现超前支护：通过对602 回风顺槽现场观察发现，顶板超前破碎是造成围岩失稳主要原因，而锚索吊棚属于滞后加强支护，无法实现应力区超前支护。

4 超前管棚注浆支护应用

为了解决锚索吊棚支护主要存在的技术难题，通过研究决定对602 回风顺槽过断层应力区顶板采用超前管棚注浆支护。

4.1 支护原理

通过对工作面迎头煤岩体施工一排超前支护体（如超前锚杆、管棚等），煤岩体在支护体支撑下形成超前组合梁结构，对应力超前区形成人工顶板，提高原岩顶板承载能力[9]，控制顶板超前破碎；同时对超前管棚进行注浆，对超前区顶板裂隙进行有效的填充，提高了超前顶板胶结稳定性[10]，实现了超前支护，简化了应力区顶板支护工序，提高了支护效果。

4.2 支护结构

602 回风顺槽应力区顶板采用的超前管棚注浆支护，每根超前管棚支护体由两根长度为2.0 m，直径为40 mm 中空无缝钢管连接而成，下部钢管底端为销尖状，销尖段长度为0.5 m，从而便于更加牢固地插入围岩内，下部钢管周围焊制三排注浆射孔，孔直径为8 mm，孔间距为0.4 m，每排5 个；两根无缝钢管采用丝扣连接，连接长度为0.2 m，如图1 所示。

图1 602 回风顺槽超前管棚注浆支护施工

4.3 支护工艺

（1）巷道掘进至420 m 处对顶板施工第一排超前管棚注浆支护，首先采用手持式钻机对巷道顶板处施工一排水平钻孔，钻孔深度为3.8 m，钻孔直径为42 mm，每排布置13 个钻孔（钻孔编号为1#、2#...13#），孔间距为0.3 m。 为了防止钻孔在施工过程中出现钻孔空位侵限现象，钻孔以3°仰角布置。

（2）支护钻孔安装后对钻孔依次安装超前管棚支护体，并对2#、7#、12#支护体内安装注浆软管，软管直径为20 mm，埋入超前支护体内长度为2.2 m，并在孔口处安装止浆塞进行封堵。

（3）将注浆软管与注浆泵连接依次进行注浆施工，注浆液采用水泥灰注浆材料，其中水泥与水配比为0.5:1，为了提高浆液凝固后具有更好的结石率，在水泥浆液中添加8%的ACZ-1 改性添加剂。

（4）注浆施工完成后巷道方可继续掘进，掘进过程中顶板锚杆（索）、钢带施工在超前支护体下方，巷道掘进3.0 m 后施工第二排超前支护体，相邻两排支护体交错穿插布置，如图1 所示。

4.4 实际应用效果分析

截至2021年3月7日602 回风顺槽已掘进至519 m，巷道已完全过F176 断层应力区。该巷道对应力区采取了超前管棚注浆支护后通过现场观察发现，当支护体完全处于岩体内时，实现了对工作面迎头前方顶板超前支护作用，在后期掘进过程中未发生顶板破碎现象，掘进后顶板空顶距在0.5 m 以下；当支护体完全揭露后，通过注浆作用将支护体与顶板岩体完全镶嵌为一体，提高了顶板承载强度以及韧性，控制了顶板下沉、 断裂现象，顶板下沉量控制在0.18 m 以下，两帮收缩量控制在0.20 m 以下。

5 结论

1）超前管棚支护对巷道迎头煤体起到了有效的超前支护作用，通过管棚支护梁效应作用提高了顶板承载能力，降低了应力对顶板破坏作用，避免了巷道掘进后永久支护施工时，因顶板支护不及时造成顶板破碎冒落、迎头煤壁垮落等现象。

2）超前管棚支护与注浆技术，在对围岩超前支护的同时实现了对深部围岩裂隙超前注浆填充加固，提高了应力区裂隙岩体整体力学性能，控制了岩体超前破碎现象，达到了稳定巷道围岩的目的。