煤巷過斷層支護技術(shù)研究

趙瑞峰

(霍州煤電集團公司 團柏煤礦，山西 霍州 031414)

頂板事故是煤礦的主要災(zāi)害之一，占據(jù)煤礦井下人員傷亡事故的50%[1]。在煤礦生產(chǎn)中，斷層為常見的地質(zhì)構(gòu)造，當巷道掘進通過斷層時，一方面影響掘進速度，另一方面易造成頂板局部破碎甚至冒頂并誘發(fā)頂板事故。在分析總結(jié)現(xiàn)有過斷層方法的基礎(chǔ)上，團柏煤礦針對11-1052巷提出了具體的過斷層支護技術(shù)方案，對于指導巷道安全快速掘進，具有重要意義。

1 斷層區(qū)易發(fā)生頂板事故的原因

在我國各個礦區(qū)所發(fā)生的頂板事故案例中，巷道遇到斷層構(gòu)造發(fā)生頂板事故以及巷道發(fā)生變形的原因主要有以下幾點[2]：①工程地質(zhì)條件突變。不同于其他生產(chǎn)活動，煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，限于物探技術(shù)手段，過去在煤巷掘進過程中往往無法對前方地質(zhì)條件進行準確預(yù)估，僅能做到“邊掘邊探”，因此遇到斷層及陷落柱等其他異常地質(zhì)條件時，原有支護無法滿足要求，從而引發(fā)產(chǎn)生頂板事故的危險。②巷道遇斷層變形及頂板破斷機制不明。煤巷掘進遇到斷層時，由于對斷層構(gòu)造區(qū)域巷道變形及頂板破斷機理研究不夠深入，使得在過斷層時不能針對性地提出支護方案，導致不能主動減弱斷層構(gòu)造帶來的影響，使得發(fā)生頂板事故的風險增大。

2 煤巷過斷層方法簡述

1) 后退挑頂法。當煤巷沿掘進方向遇到正斷層(如圖1所示)時，宜通過后退挑頂法過斷層，挑頂至斷層面，巷道頂板為下盤煤層頂板，從而采用原支護方式繼續(xù)掘進[3]。

2) 后退挖底法。煤巷沿掘進方向遇到逆斷層(如圖2所示)時，宜通過后退挖底法過斷層，挖底至斷層面，巷道頂板為上盤煤層頂板，從而采用原支護方式繼續(xù)掘進[4]。

圖1 巷道掘進過正斷層

圖2 巷道掘進過逆斷層

需要注意的是，挑頂與挖底過程中，需采取架棚及打設(shè)加強錨索等方式補強支護。同時，對落差較大的斷層，應(yīng)采用臺階施工方式，逐步施工到位。

3 巷道工程地質(zhì)條件

團柏煤礦11-1052巷服務(wù)于11號煤首采工作面，巷道相對位置地面標高為+688～+830 m，工作面標高為+436～+470 m。地面相對位置位于堡后村以南，下團柏斷層以北，后義村以西，張泉村以東。地表為黃土梁垣地貌；井下東部為首采區(qū)膠帶巷，西部、南部為實體煤，北部為11-104回采工作面，上覆10號煤10-109、10-107采空區(qū)，其四鄰關(guān)系如圖3所示。11-1052巷沿頂板掘進，11號煤層頂板為粉砂巖與細粒砂巖，綜合柱狀如圖4所示。巷道設(shè)計長度1 671 m，設(shè)計斷面為4.4 m(寬)×2.7 m(高)。

圖3 巷道四鄰關(guān)系示意

4 巷道過斷層支護技術(shù)

4.1 斷層情況

根據(jù)礦方水害防控中心的地質(zhì)預(yù)報顯示，11-1052巷在4號導線點前135 m處揭露一條落差0.7 m、傾角68°的正斷層，4號導線點前210 m處揭露一條落差1.1 m、傾角67°的正斷層，兩條斷層均不導水。

圖4 煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖

4.2 過斷層方法及支護技術(shù)

由于兩條斷層均為正斷層，因此采用后退挑頂法過斷層方式，當煤巷挑頂挖掘程度達到斷層時，保證巷道頂部與斷層下盤煤層處于同一位置，并采用錨桿支護將斷層面附近的頂板加固，同時，過斷層期間若斷層處有出水跡象時，應(yīng)立即停止作業(yè)。巷道掘進仍采用機掘方式掘進，小循環(huán)作業(yè)，掘一錨一。過斷層期間，將錨桿排距由正常段的1 100 mm縮小為900 mm；頂板破碎時，需將錨桿排距進一步縮小至600～800 mm；頂板破碎嚴重，采用“錨網(wǎng)索支護”不能有效控制時，則將巷道支護方式變更為“錨網(wǎng)索+架棚”聯(lián)合支護[5]。具體支護參數(shù)如下：

1) 錨網(wǎng)索支護。頂板及巷幫錨桿選用D20 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.0 m，桿尾螺紋M22，間排距分別為950 mm×900 mm與1 000 mm×900 mm(頂板破碎時縮小排距為600～800 mm)，均采用規(guī)格為CK2340+Z2360兩支樹脂錨固劑進行錨固，錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m。托板采用拱型高強度托板，規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm，托板高度不低于38 mm，配合調(diào)心球墊和減摩墊圈使用。選用規(guī)格為450 mm×4 mm×280 mm的W鋼護板作為組合構(gòu)件，采用10號鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護頂，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格分別為4 700 mm×1 100 mm與2 700 mm×1 100 mm。

錨索選用材料為D17.8 mm，1×19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度5.3 m，錨索安裝在兩排錨桿間頂板中部，間排距1 600 mm×900 mm，每排兩根布置。采用一支CK2340和兩支Z2360樹脂錨固劑錨固，采用300 mm×300 mm×14 mm拱形高強錨索托板，托板高度不低于60 mm，配調(diào)心球墊。錨索張拉預(yù)緊力不低于180 kN。錨桿及錨索全部垂直頂板或巷幫布置。

2) “錨網(wǎng)索+架棚”聯(lián)合支護。當頂板破碎嚴重時，采用“錨網(wǎng)索+架棚”聯(lián)合支護方式?！板^網(wǎng)索”支護方式同上，架棚支護方式具體為：采用11號工字鋼架棚支護，棚梁上凈口為3.6 m，下凈口為4.4 m，毛高2.7 m，凈高2.5 m，棚腿2.7 m，棚距縮為600 mm，小循環(huán)作業(yè)，掘一支一，工作面滿足一架棚距時，必須先架設(shè)棚子。頂部采用厚度不低于7 cm的木背板進行花背，橫梁及兩幫均采用構(gòu)木進行盤幫構(gòu)頂，橫梁上2根撐木，在距梁頭兩側(cè)300 mm的位置各搭設(shè)一根。每側(cè)棚腿上2根撐木，距梁頭600 mm、1 900 mm處各搭設(shè)1根撐木。每側(cè)棚腿為4根構(gòu)木，距梁頭300 mm處放置一根，然后每隔600 mm放置一根。要求撐木垂直棚子，所有撐木打成一條直線，打緊打牢。棚腿柱窩采用風鎬施工，深度不小于100 mm。若底板為泥巖，則棚腿需穿250 mm×250 mm的鋼板鞋。

岔角及迎山角要符合規(guī)定，在棚梁與棚腿叉角處吊掛1 m的垂線，1 m線繩的端頭距棚腿水平距離不小于17 0mm，迎山角每6～8°迎1°。

5 巷道礦壓監(jiān)測

在巷道通過斷層期間，安設(shè)一個礦壓監(jiān)測測站，監(jiān)測掘進期間錨桿受力變化。根據(jù)掘進期間的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制如圖5所示的曲線。由圖5可看出，在巷道過斷層掘進初期，頂板及兩幫部分錨桿有較為明顯的受力變化，均表現(xiàn)為增大，增幅為20 kN，同時錨桿的初始受力均較大，能夠充分發(fā)揮高預(yù)應(yīng)力主動支護的作用，錨桿受力在巷道掘進期間整體表現(xiàn)較為平穩(wěn)。同時結(jié)合巷道變形觀測可知，在過斷層期間及過斷層后一段時間內(nèi)，巷道頂板下沉很小，底板略有鼓起，最大鼓起量約為540 mm，兩幫移近量最大為478 mm。礦壓監(jiān)測表明，采用上述過斷層技術(shù)方案，成功地保證了巷道的安全掘進。

6 結(jié) 語

采用后退挑頂法過斷層，結(jié)合“錨網(wǎng)索”支護與“錨網(wǎng)索+架棚”聯(lián)合支護形式，成功解決了團柏礦11-1052巷過斷層難題。礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，巷道變形較小，錨桿受力變化較為平穩(wěn)。保證了巷道正常有序掘進。

圖5 礦壓監(jiān)測曲線