巷道斷層區(qū)破碎頂板支護(hù)優(yōu)化應(yīng)用

王 平

（霍州煤電集團(tuán)白龍礦建公司，山西 臨汾 031400）

巷道在過構(gòu)造、應(yīng)力區(qū)或煤巖不穩(wěn)定區(qū)時(shí)，巷道開挖空間形成一個(gè)應(yīng)力釋放區(qū)域，圍巖應(yīng)力向巷道內(nèi)釋放過程中應(yīng)力對圍巖產(chǎn)生卸壓破壞作用[1]，常表現(xiàn)為頂板破碎、斷裂、下沉等，并在圍巖內(nèi)部形成巖體松動(dòng)圈[2]，松動(dòng)圈內(nèi)巖體成破碎結(jié)構(gòu)，當(dāng)松動(dòng)圈完全破壞頂板承載梁結(jié)構(gòu)時(shí)頂板出現(xiàn)冒落[3]，而采用傳統(tǒng)的錨桿（索）點(diǎn)性或線性支護(hù)無法滿足破碎頂板支護(hù)需求。對于破碎頂板必須采取合理有效的支護(hù)設(shè)計(jì)，才能控制圍巖破碎的目的。

本文以霍州煤電集團(tuán)回坡底煤礦1121 巷掘進(jìn)過斷層為工程實(shí)例，對巷道破碎區(qū)域支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化探討。

1 工程概況

回坡底煤礦1211 巷位于東一采區(qū)皮帶巷右翼，南部為10-110 工作面（已圈出，未回采），北部、東部為實(shí)體煤未布置工作面，西部為東一采區(qū)三條大巷。

1211 巷設(shè)計(jì)長度為1 708 m，巷道掘進(jìn)斷面為寬×高=4.6 m×3.2 m，巷道掘進(jìn)煤層為10#煤層，10#煤層厚度2.58～2.63 m，平均厚度2.60 m，含1～2 層不穩(wěn)定夾矸，普氏硬度0.9～1.1。10#煤層直接頂為泥巖，厚度1.95～2.00 m，平均厚度1.98 m，普氏硬度4～6。泥巖以上為9#煤層，厚度0.95～1.00 m，平均厚度0.97 m，普氏硬度0.90～1.15。9#煤層直接頂為K2灰?guī)r，厚度8.40～10.40 m，平均厚度8.90 m，普氏硬度10～12，具體頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 10#煤層頂?shù)装鍘r性

1211 巷采用綜掘工藝，截至2021年3月21日巷道已掘進(jìn)至490 m。預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)至497 m 處將揭露一條F8正斷層，斷層落差為1.4 m，傾角為52°。受斷層影響，巷道掘進(jìn)至485 m時(shí)頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象； 當(dāng)巷道掘進(jìn)至488 m處時(shí)頂板出現(xiàn)第一次冒漏，冒漏高度達(dá)1.7 m，冒漏區(qū)成不規(guī)則半圓狀，冒漏區(qū)最大寬度為3.2 m，且隨著巷道掘進(jìn)延伸，冒漏區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，嚴(yán)重威脅著巷道安全掘進(jìn)。

2 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 原支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）1211 巷頂錨桿選用Φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，選用CKB2340 型樹脂錨固劑和Z2360 型樹脂錨固劑各一條； 幫錨桿選用Φ20 mm×1 600 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，選用Z2360 型樹脂錨固劑一條。

（2）頂錨桿“六六”布置，間排距950 mm×1 200 mm，幫錨桿“四四”布置，間排距900 mm×1 000 mm。肩窩幫錨桿距頂300 mm,底角錨桿距底板0.2 m，如圖1所示。

圖1 1211 巷原支護(hù)設(shè)計(jì)

（3）錨索采用Φ18.9 mm×5 000 mm 鋼絞線，選用CKB2340 型樹脂錨固劑一條和Z2360 型樹脂錨固劑兩條，托板選用300 mm×300 mm×14 mm 方形高強(qiáng)拱型托盤，KM19 型鎖具及配套調(diào)心球墊。錨索采用“一二一”布置，錨索排距3.6 m，施工2 根時(shí)間距為2.4 m，距兩幫部各1.3 m；施工1 根時(shí)距兩幫各2.4 m。

2.2 支護(hù)分析

（1）圍巖膠結(jié)穩(wěn)定性差。F8斷層引起地層斷裂導(dǎo)致巷道上下盤煤巖體在豎直方向上出現(xiàn)空間位移，破壞了圍巖連續(xù)穩(wěn)定性，導(dǎo)致斷層帶附近煤巖體出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象。同時(shí)，巷道在掘進(jìn)過程中采掘應(yīng)力、 構(gòu)造應(yīng)力等集中應(yīng)力在斷層裂隙帶內(nèi)進(jìn)行釋放，產(chǎn)生水平剪應(yīng)力[4]，造成巖體破壞，導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性差。通過單軸抗壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斷層帶處的巖體平均單軸抗壓強(qiáng)度不足20 MPa。

（2）支護(hù)強(qiáng)度低。原支護(hù)設(shè)計(jì)中，頂板采用的錨桿長度為2.0 m，每排布置6 根，頂板支護(hù)主要以錨桿支護(hù)為主；而1211 巷頂板直接頂主要以泥巖及9#煤層為主，總厚度為2.25 m，原頂板錨桿錨固端位于9#煤層與泥巖之間，在應(yīng)力作用直接頂出現(xiàn)離層現(xiàn)象，錨桿支護(hù)后對圍巖無法形成穩(wěn)定的支護(hù)梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致錨桿支護(hù)失效，降低了頂板支護(hù)強(qiáng)度。

（3）支護(hù)設(shè)計(jì)不合理。原支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板每排錨桿采用一根長度為4.8 m，寬度為80 mm 圓鋼作為錨梁，雖然錨桿支護(hù)可對頂板不穩(wěn)定巖體起到懸吊，但錨梁截面積小，當(dāng)頂板出現(xiàn)破碎現(xiàn)象時(shí)，圓鋼錨梁對破碎巖體錨托效果差；同一排錨桿與錨梁聯(lián)合構(gòu)成線性支護(hù)，當(dāng)頂板出現(xiàn)下沉?xí)r線性錨梁對頂板產(chǎn)生切頂破壞作用。

3 巷道支護(hù)優(yōu)化

3.1 注漿施工

為了對應(yīng)力區(qū)破碎圍巖進(jìn)行二次重組，提高圍巖整體穩(wěn)定性，控制圍巖松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，決定對巷道頂板采取注漿施工。

（1）煤層注漿布置4 個(gè)注漿鉆孔（1#～4#），鉆孔布置在工作面迎頭煤壁上，距頂板間距為0.5 m，鉆孔間距為1.0 m，排距為4.0 m，鉆孔深度為4.0 m，直徑為42 mm，所有鉆孔成25°仰角布置，見圖2。

（2）注漿材料采用雙組份（A 組、B 組）聚氨酯加固材料，其中A 組分主要為聚合MDI 和阻燃劑組成，B 組份主要為活性劑、催化物以及聚醚多元醇等部分組成，該注漿材料雖然成本相對較高，但是對于破碎巖體具有很強(qiáng)的滲透能力以及粘接能力，而且凝固時(shí)間短[5]，凝固后的凝固體具有較強(qiáng)的韌性，適應(yīng)大變形圍巖中。

采用2ZBQ50/4 雙桶注漿泵進(jìn)行注漿施工，注漿泵配套設(shè)備主要包括三通閥控制的注射槍、封孔器以及注漿軟管組成； 注漿施工注漿壓力控制在2.0～3.5 MPa 范圍內(nèi)，當(dāng)注漿壓力升高至4.0 MPa 時(shí)立即停止注漿。

3.2 JW型錨索鋼帶支護(hù)

由于錨梁支護(hù)存在截面小、 承載能力低以及錨桿長度不足等缺點(diǎn)，擬對原錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，即采取JW 型錨索鋼帶支護(hù)。

（1）原支護(hù)設(shè)計(jì)中，鉆孔數(shù)量相對較多，施工時(shí)鉆孔擾動(dòng)破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，加劇了頂板圍巖破碎力度，優(yōu)化方案是將原巷道頂板錨桿更換為長度為4.5 m，直徑為21.8 mm 的恒阻錨索，每排布置5 根，錨索布置間距為1.0 m，排距為1.1 m，每根錨索采用三支錨固劑進(jìn)行錨固，錨固力不低于220 kN，如圖2所示。

圖2 1211 巷優(yōu)化支護(hù)

（2）同一排錨索施工完后在錨索外露端再安裝一根長度為4.5 m，寬度為0.28 m，厚度為4 mm 的JW 型鋼帶，鋼帶最大承載力為480 kN，極限抗剪力為562 kN。JW 鋼帶具有支護(hù)截面積大、強(qiáng)度高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

（3）為了防止斷層影響區(qū)巷道頂板與巷幫之間的三角煤柱垮落，優(yōu)化方案是在三角煤柱區(qū)域施工一根錨索，錨索長度為4.3 m，直徑為17.8 mm，錨索布置間距為1.1 m，錨索施工完后在錨索外露端再安裝一根長度為0.6 m工字鋼梁。

3.3 梯形梁U29棚支護(hù)

（1）1211 巷注漿加固及永久支護(hù)完成后，在F8段前后10 m 范圍內(nèi)架設(shè)密集梯形梁U29鋼棚。鋼棚主要由梯形梁、U29型棚腿、底座、連接桿等部分組成； 頂梁采用2 根長度為4.2 m 工字鋼梁和6根長度為0.4 m 工字鋼梁焊接而成，頂梁支護(hù)寬度為0.5 m；棚腿長度為3.2 m。

（2）梯形梁U29棚安裝順序?yàn)椋旱鬃鶸29型棚腿→梯形梁→連接桿。鋼棚安裝間距為1.0 m，共計(jì)架設(shè)20 架鋼棚。鋼棚架設(shè)過程中必須保證底座與底板固定牢固，鋼棚安裝后梯形頂梁與頂板接觸嚴(yán)實(shí)，若頂板破碎、冒落導(dǎo)致頂梁與頂板無法接觸時(shí)，在其間隙處必須填充水泥背板。

4 結(jié)語

截止2021年3月28日，1211 巷已掘進(jìn)至520 m，且完全過F8斷層應(yīng)力區(qū)；對斷層區(qū)巷道支護(hù)優(yōu)化后，有效控制了頂板失穩(wěn)現(xiàn)象。在該區(qū)域安裝頂板位移監(jiān)測儀進(jìn)行7 d 現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在0～3 d 范圍內(nèi)頂板不穩(wěn)定圍巖蠕動(dòng)變形現(xiàn)象相對嚴(yán)重，頂板下沉量成直線上升趨勢；在3～5 d 范圍頂板支護(hù)對圍巖實(shí)現(xiàn)了耦合支護(hù)作用，下沉量逐漸減??；在5 d 后頂板圍巖趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉量控制在0.14 m 以下，取得良好的應(yīng)用成效。