掘進(jìn)巷道過斷層破碎區(qū)支護(hù)技術(shù)

郭立軍

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033102）

巷道在掘進(jìn)過程中遇地質(zhì)構(gòu)造時，受構(gòu)造剪切破壞了巷道圍巖整體穩(wěn)定性，降低了煤巖體承載能力及膠結(jié)強(qiáng)度，導(dǎo)致巷道過構(gòu)造期間出現(xiàn)圍巖破碎嚴(yán)重、圍巖控制難度大、變形嚴(yán)重等技術(shù)難題。雖然國內(nèi)外學(xué)者通過大量的研究和實踐，對構(gòu)造區(qū)巷道圍巖支護(hù)取得了一定的成果，但是在實際中還存在很多問題需要解決，在過斷層期間支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)安全系數(shù)以及支護(hù)工序等需進(jìn)一步完善。本文以店坪煤礦2041巷為例，對巷道過F4斷層時采取合理有效的安全支護(hù)技術(shù)，并取得了應(yīng)用成效[1-5]。

1 概述

店坪煤礦2041巷位于830 m水平二采區(qū)左翼，最高標(biāo)高930 m，最低標(biāo)高828 m。工作面東為井田邊界，西為830系統(tǒng)大巷，南為9-206工作面，北與9-202工作面相鄰（已回采）。工作面上部主要可采煤層為5#煤層，5#煤層距9#煤層64～69 m，9-204工作面上部5#煤未開采，不受上部采空區(qū)積水威脅。

2041巷設(shè)計長度為1700 m，巷道掘進(jìn)斷面規(guī)格為寬×高=4.4 m×2.8 m。巷道沿9#煤層底板進(jìn)行掘進(jìn)，截至目前巷道已掘進(jìn)840 m。巷道掘進(jìn)至845 m將揭露F4斷層，斷層落差為1.4 m，傾角為52°。受F4斷層影響，巷道掘進(jìn)至835 m處進(jìn)入斷層應(yīng)力區(qū)，巷道頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象。隨著巷道掘進(jìn)延伸，當(dāng)巷道掘進(jìn)至840 m處時巷道圍巖破碎嚴(yán)重，并伴隨著頂板下沉現(xiàn)象，頂板下沉量達(dá)0.37 m。

2 過斷層應(yīng)力區(qū)原支護(hù)措施及問題分析

2.1 原支護(hù)措施

為了提高應(yīng)力區(qū)圍巖穩(wěn)定性，巷道應(yīng)力區(qū)采取施工錨索吊棚進(jìn)行頂板補強(qiáng)支護(hù)。錨索吊棚主要由一根長度為4.2 m、寬度為0.1 m工字鋼梁和兩根長度為5.0 m、直徑為17.8 mm錨索組成，工字吊棚與巷道走向垂直布置，吊棚排距為1.0 m。

2041巷從835 m處開始對頂板施工錨索吊棚進(jìn)行補強(qiáng)支護(hù)，截至目前巷道共計補打10架。頂板錨索吊棚施工完后在840 m處頂板安裝了一臺頂板離層儀，通過5 d現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，頂板施工完錨索吊棚后支護(hù)失效率得到一定控制，但是頂板下沉現(xiàn)象未得到有效控制，頂板下沉量0.44 m。頂板破碎區(qū)不斷擴(kuò)大，采用錨索吊棚未從根本上控制住頂板破碎、下沉等應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象。

2.2 頂板破碎機(jī)理及問題分析

2.2.1 頂板破碎機(jī)理

2041巷直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為4.2 m。直接頂局部存在5#煤層（不可采），厚度為0.2 m，巖體整體穩(wěn)定性差，單軸抗壓強(qiáng)度低，巷道掘進(jìn)后頂板承載能力差。當(dāng)巷道掘進(jìn)至F4斷層應(yīng)力區(qū)后，構(gòu)造應(yīng)力向巷道開挖空間內(nèi)釋放，并對巷道頂板及煤壁產(chǎn)生剪切破壞作用，頂板在應(yīng)力作用下出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，同時直接頂內(nèi)部不穩(wěn)定煤矸之間產(chǎn)生離層現(xiàn)象。

2.2.2 原支護(hù)問題分析

（1）2041巷原頂板永久支護(hù)主要采用錨桿（索）支護(hù)，錨桿長度為2.0 m，錨桿錨固段位于直接頂內(nèi)，而受應(yīng)力作用直接頂內(nèi)形成圍巖松動圈，支護(hù)體錨固段位于松動圈內(nèi)錨固質(zhì)量差，且支護(hù)體無法將錨桿預(yù)應(yīng)力及時傳遞至應(yīng)力區(qū)圍巖中，對應(yīng)力區(qū)圍巖達(dá)不到有效圍巖控制作用。

（2）2041巷進(jìn)入F4斷層應(yīng)力區(qū)后，及時采用錨索吊棚進(jìn)行補強(qiáng)支護(hù)。雖然錨索吊棚屬于主動支護(hù)，吊棚支護(hù)強(qiáng)度高，且施工工藝簡單，但是錨索吊棚屬于線性支護(hù)，在支護(hù)過程中對頂板施加高預(yù)應(yīng)力同時吊棚鋼梁對頂板產(chǎn)生切頂破壞作用，加聚頂板破壞力度。同時，相比W型鋼帶、JW型鋼帶，錨索吊棚支護(hù)截面積小，支護(hù)效果差。

3 “曲型梁棚+超前注漿錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

3.1 曲型梁棚支護(hù)

3.1.1 梁棚結(jié)構(gòu)

（1）2041巷曲型梁棚主要由棚梁、棚腿、曲型梁、前探梁等四部分組成，如圖1。其中棚腿和棚梁主要由11#工字鋼梁制成，棚腿長度為2.8 m，棚腿上端焊制一個固定板，主要進(jìn)行固定頂梁，棚梁長度為4.2 m，棚腿兩側(cè)各焊制2個卡扣。

圖1 2041巷斷層應(yīng)力區(qū)聯(lián)合支護(hù)示意圖

（2）前探梁主要由長3.0 m、寬0.15 m槽鋼制成，前探梁兩側(cè)均勻焊制一排斜型鋸齒，便于與頂梁咬頜固定，前探梁共計5根。曲型梁設(shè)計成彎曲狀，弧度為60°，弧長為1.2 m，曲型梁共計兩節(jié)，該梁主要通過棚腿兩側(cè)的卡扣進(jìn)行固定。

3.1.2 梁棚施工工藝

（1）曲型梁棚從巷道835 m處開始架設(shè)，首先在巷道兩幫處分別安裝一根棚腿，棚腿安裝前必須對底板進(jìn)行整平，保證棚腿安裝在堅硬底板上，同一架棚腿中心線必須與巷道中心線垂直。

（2）棚腿架設(shè)完成后，將棚梁與棚腿采用U型卡進(jìn)行固定。為了保證整架鋼棚牢固可靠性，鋼棚架設(shè)完后采用固定錨桿將兩架棚腿與巷幫進(jìn)行固定。相鄰兩架鋼棚排距為1.2 m。

（3）相鄰三架鋼棚架設(shè)完后，在鋼棚頂梁上方平鋪5根長度為3.0 m前探梁，并通過升降棚腿確保前探梁與頂板接觸嚴(yán)實。隨著巷道延伸及時將前探梁延伸至工作面前方，防止頂板垮落。

（4）當(dāng)2041巷應(yīng)力區(qū)頂板出現(xiàn)冒落導(dǎo)致鋼棚前探梁無法接頂時，可在工作面迎頭第一架鋼棚棚腿上安裝兩根曲型梁。曲型梁通過卡扣調(diào)整高度，曲型梁安裝后在其上方鋪設(shè)道木進(jìn)行勾盤，確保冒漏區(qū)頂板穩(wěn)定性。

3.2 超前注漿錨索施工

3.2.1 注漿錨索支護(hù)原理

注漿錨索支護(hù)技術(shù)指的是在采掘工作面應(yīng)力破碎頂板施工中空錨索，對頂板進(jìn)行錨固預(yù)緊，實現(xiàn)錨索的懸臂梁、懸臂拱等作用，對破碎頂板進(jìn)行初期控制維護(hù)，然后采用專用注漿泵向中空錨索內(nèi)注入無機(jī)注漿錨固材料。在高壓作用下注漿材料沿錨索支護(hù)孔壁裂隙巖體進(jìn)行滲透，對裂隙巖體進(jìn)行粘接、充填，提高破碎巖體整體穩(wěn)定及承載能力，同時在注漿過程中實現(xiàn)了錨索全長錨固的目的，提高錨索錨固效果，使得錨索預(yù)緊力能夠更好地傳遞至破碎圍巖內(nèi)，能夠有效削弱應(yīng)力破壞作用。

3.2.2 施工工藝

（1）支護(hù)鉆孔布置

2041巷掘進(jìn)至840 m處采用錨索鉆機(jī)在迎頭頂板上施工三個錨索支護(hù)孔，鉆孔間距為1.5 m，孔深度為8.0 m，鉆孔直徑為30 mm，鉆孔以30°仰角布置，兩側(cè)鉆孔與巷幫成15°夾角布置。

（2）錨注注漿錨索

錨索鉆孔施工完后，依次對鉆孔內(nèi)填裝三支錨固劑（兩支MSKC23/35型，一支MSK23/60型）以及一根中空注漿錨索。錨索長度為8.0 m，直徑為21.8 mm，錨索抗拉拔力為365 kN，托盤承載力為420 kN。

（3）注漿材料

注漿材料采用水與425#硅酸鹽水泥混合漿液，水灰比為1:2，同時對漿液中添加8%的ACZ-I水泥添加劑。根據(jù)2041巷頂板實際情況以及漿液滲透范圍等綜合因素，注漿壓力確定為3.0～4.5 MPa。

（4）注漿工序

將水與水泥、添加劑在攪拌桶內(nèi)進(jìn)行均勻攪拌→將注漿管與注漿泵進(jìn)行連接→注漿管采用注漿接頭與全長錨固錨索進(jìn)行可靠連接→開啟注漿泵進(jìn)行注漿施工。

4 結(jié)語

截至2020年9月12日2041巷已掘進(jìn)到位，通過對2041巷過F4斷層應(yīng)力區(qū)頂板破碎機(jī)理進(jìn)行合理分析，提出了“曲型梁棚+超前注漿錨索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，巷道在后期過應(yīng)力區(qū)時未出現(xiàn)頂板破碎、煤壁片幫現(xiàn)象，應(yīng)力區(qū)頂板下沉量控制在0.13 m以下，提高了應(yīng)力區(qū)頂板整體穩(wěn)定性，保證了原支護(hù)效果。