陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿 陕西黄陵 727307
摘要：基于在井下掘进工作中遇到的各类复杂条件，探讨在顶板破碎条件下的超前锚杆支护应用。顶板破碎情况下巷道开挖前将超前锚杆支护在巷道顶板前方岩体内，可有效地把破碎及不稳定区域顶板岩体组合起来，形成“临时完整”顶板，提高其承载能力，减少随掘随落现象出现，提高掘进效率；并提高永久支护的有效性，确保了顶板的完整性，保障了煤矿井下生产安全。
关键词：破碎；顶板；支护；超前
0引言
当巷道围岩为松散破碎的岩体时，锚杆锚索等传统的主动支护形式的可锚性降低，支护效果达不到设计要求，且掘进时当顶板较破碎时严重影响掘进效率，采用超前锚杆支护可一定程度上解决该问题。在破碎顶板或直接顶为弱层理结构的条件下，围岩未被开挖前，采用超前锚杆支护技术提前对即将暴露的顶板进行支护，尽量使围岩在开挖后原岩应力被破坏的情况下保持完整，避免围岩产生较大的形变和破坏，保证巷道顶板在未离层前得到有效支护。因此探索破碎围岩巷道超前锚杆支护技术对提升巷道掘进效率以及提高永久支护质量有着重要意义。
1工程地质概况
1.1地质概况
1007回风顺槽位于十盘区，十盘区位于黄陵一号煤矿井田中部，北邻十一盘区，南与五盘区相接，东邻三盘区，西接六盘区。1007回风顺槽设计长度2925.2m，主采2号煤层，煤厚1.8－2.2m，平均厚度2.1m，直接顶为粉砂岩，成份以石英为主，钙质胶结，含植物化石碎片和星点云母片，中夹薄层中砂岩及砂质泥岩。泥岩为灰黑色，局部含少量粉砂岩。层理不明显。底板为泥岩，灰黑色，易风化，易破碎，含少量植物化石碎屑。
1.2巷道支护形式参数
1007回风顺槽设计为矩形巷道，高2.8m，宽5.2m，采用锚杆+锚索梁+塑钢网联合支护，顶锚杆为Φ20×2500mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间距800mm，排距1000mm支护，锚索梁采用T140型钢带加工，梁长4800mm，一梁四索，排距2000mm，锚索采用Φ17.8×8300mm钢绞线，锚深8000mm；两帮采用锚杆+塑钢网联合支护，主帮为Φ20×2500mm玻璃钢锚杆，副帮为Φ20×2500mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距1000×1000mm。
1.3巷道顶板及生产现状
1）三维地震勘探报告表明，1007回风顺槽邻近3DF15断层，掘进过程可能揭露伴生断层致顶板较为破碎。
2）根据现场实际生产情况，在巷道掘进过程中，由于断层及小构造影响，顶板上方约500 mm左右的岩石较破碎，直接顶整体稳定性较差，当掘进至500-1000m范围内时，顶板破碎情况由为明显，掘进期间，顶板随掘随落，厚度100～400mm左右，此时循环进尺降为0.8m（此时顶锚杆排距变更为0.8m），严重的制约了生产。
2超前锚杆支护设计
根据1007回风顺槽直接顶构造情况，为保证煤层顶板在巷道被开挖后的完整性，采用围岩补强和组合梁理论对迎头前未被暴露的顶板超前支护，通过施工超前锚杆，将锚杆锚固长度以内的围岩组成组合梁，从而加强围岩本身的抗弯能力和提高其承载能力，使之在巷道开挖后，巷道永久支护前保证顶板的完整性。综合锚杆施工工艺及有关文献以及在结合实际施工探索的基础上，现场施工中超前锚杆安设角度采用30°，误差范围 28°～32°。其支护参数选取如下：锚杆规格：Φ20×2500mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆(或强度相当的其他锚杆 )；锚杆间距：0.85 m，锚杆排距：2 m，每排根数：3-4根。锚固方式：每根锚杆消耗2节MSK2335型树脂。同时为提高锚杆与顶板的结合力，要求锚杆预紧力不低于150N m。
支护设计如图1所示。
.png)
图1 顶板超前锚杆支护设计
3 施工方法及工艺
3. 1 施工方法
当顶板破碎时，在开机前及每循环割煤前，利用ZYC2X800/21/30型交错式掘进超前支架的临时支护，在有效的掩护下施工超前锚杆。采用风动锚杆机施工钻眼工作；严格控制锚杆眼深度，锚杆眼内的水和煤屑必须清理干净，确保树脂药卷充分发挥作用，锚杆锚固力必须达到设计要求。考虑到施工安全，超前锚杆具体施工位置是在工作面正头顶板临时支护处，倾斜向迎头打锚杆眼，并保证锚杆与顶板夹角为30°，角度不可过小，以保证锚杆与顶板的结合效果。
3. 2 施工工艺
交接班→打超前锚杆眼→安装超前锚杆→综掘机截割→刷帮清浮煤→敲帮问顶→连网及临时支护→永久支护→打超前锚杆眼→安装超前锚杆→下一循环→文明生产→现场交接班。
4施工效果
在2号煤巷道掘进过程中，由于断层及小构造影响，顶板上方约500 mm左右的岩石较破碎，所以掘进过程中顶板完整性较差，虽然无大的漏顶，但100～300 mm的漏顶经常出现，若不采取及时合理的措施，很容易造成顶板的不完整，达不到顶板的标准效果，同时也不能满足同排锚杆锚固在同层位的效果，大大降低了支护强度，难以保证支护质量。当进行施工超前锚杆后，根据现场实际生产情况，一方面在巷道掘进后能够较好的控制顶板的完整性不掉落（此超前支护只起支撑作用，无挤压加固作用），且减小了永久支护过后，顶板的下沉量；另一方面施工超前锚杆后，实际生产过程中循环进尺可由0.8m增加为2-3m（视具体情况），极大的提高了掘进效率。
5 矿压观测分析
另外为检测施工超前锚杆对巷道顶板后期变形的控制效果，通过离层观测仪对永久支护后的巷道顶板下沉量进行观测。分别在顶板超前支护区域和非超前支护区域各安设两套双深度 (A基点为深部基点，深8m；B基点为浅部基点，深3m。)GYW300离层传感器进行下沉量观测，进行了48小时的观测，其顶板下沉量 (mm)与时间(d)的关系如图2所示。
.png)
图2 顶板下沉量于时间关系图
由图 2可看出：
非超前支护区，在巷道巷道开挖后直接顶内部已出现离层，锚杆支护的有效性减弱，此时直接顶的承载能力已经降低，当顶板受压稳定后，巷道顶板浅部围岩下沉量最大达到20 mm，深部围岩下沉量为7-8mm。一定程度上会造成锚杆失效，不能有效阻止顶板下沉，锚固范围内（2.5 m）和锚固区以外（8. 0 m）的离层都相对比较明显，此时锚固范围内的岩体作为荷载多于作为承载体的作用。
在超前锚杆支护区，由于在巷道开挖前加强顶板控制，永久支护之前保证了顶板完整，在巷道稳定后，巷道顶板浅部围岩下沉量最大达到12mm，锚固范围之外的位移量也得到了有效控制，是同一时期非超前支护区离层位移量的1 /2-2 /3，说明超前锚杆与永久锚杆支护相结合，能有效控制破碎顶板下锚固范围内的岩层变形，形成较理想的承载体，也有效地阻止了锚固范围以外的离层。
6结语
为了保证掘进期间顶板完整性提高掘进效率及巷道开挖后永久支护质量，破碎顶板掘进期间采取施工超前锚杆，割煤前提前向顶板前方支护超前锚杆，将破碎松散的岩体有效组合起来，使得超前锚杆锚固长度以内的岩层组成组合梁，从而加强围岩本身的抗弯能力和提高其承载能力，使之在巷道掘进期间随掘随落现象减少且巷道开挖后，巷道永久支护质量得到提高。
作者简介：
尚轩（1991-），男，陕西户县人，汉族，助理工程师，毕业于西安科技大学，研究生，从事掘进技术管理工作。