協(xié)同支護(hù)技術(shù)在斷層破碎區(qū)中的應(yīng)用

蘭鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037001）

1 2210 巷概況

燕子山礦2210 巷井下位于C3 號(hào)層302 盤區(qū)，西部為實(shí)煤區(qū)，南部為實(shí)煤區(qū)，東部為302 盤區(qū)巷，北部為實(shí)煤區(qū)。

巷道從3 號(hào)層302 盤區(qū)軌道巷開口，巷道走向長度2100 m，已掘96 m。巷道沿3 號(hào)層穩(wěn)定煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面規(guī)格為4.0 m（寬）×3.3 m（高），巷道斷面為矩形。C3 號(hào)層302 盤區(qū)2210 工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度穩(wěn)定，煤層有益厚度為4.48～8.23 m；有3～11 層0.13～2.53 m 的夾石，平均厚度0.30 m；全厚為6.64～11.9 m，煤層屬厚煤層，變異系數(shù)27.85%，系較穩(wěn)定煤層；煤層大致走向東北，傾向東南，傾角為-1°～+3°，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 2210 巷掘進(jìn)的4 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性

C3 號(hào)層2210 巷預(yù)計(jì)在掘進(jìn)過程中120 m、670 m處可能會(huì)揭露落差為2.2 m、1.2 m 的正斷層，對(duì)掘進(jìn)有一定影響；巷道目前已掘進(jìn)至114 m，通過鉆探確定巷道120 m 存在F5 斷層，落差為2.0～2.4 m，受斷層影響，巷道掘進(jìn)110 m 后頂板開始出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，原頂板支護(hù)效果差，局部出現(xiàn)冒漏。

2 近距離采空區(qū)下協(xié)同支護(hù)技術(shù)

2.1 超前管棚支護(hù)

巷道掘進(jìn)過程中受超前應(yīng)力作用巷道迎頭煤壁出現(xiàn)嚴(yán)重垮落現(xiàn)象，掘進(jìn)后最大空頂距達(dá)2.7 m，采用傳統(tǒng)絲杠式前探梁臨時(shí)超前支護(hù)效果差，很容易出現(xiàn)頂板冒漏，所以巷道掘進(jìn)前對(duì)迎頭施工一排超前管棚支護(hù)。

1）頂板施工超超前管棚支護(hù)體采用長度為3.5 m、直徑為30 mm 無縫中空鋼管焊制而成，鋼管壁厚為5 mm，中部孔直徑為20 mm，在鋼管壁上布置3 排直徑為5 mm 卸壓小孔，孔間距為0.3 m，超前管棚端頭設(shè)置為絲扣結(jié)構(gòu)，絲扣長度為0.3 m[1-2]。

2）巷道迎頭每排布置10 根超前管棚，管棚支護(hù)體布置間距為0.5 m，布置仰角為3°，對(duì)于嚴(yán)重破碎區(qū)頂板管棚施工后無法固定時(shí)在端頭安裝一個(gè)固定套頭，并采用錨桿將其固定在巷幫上。

2.2 注漿錨索支護(hù)

由于受斷層應(yīng)力破壞作用，頂板出現(xiàn)裂隙帶且與上覆采空區(qū)導(dǎo)通，導(dǎo)致頂板斷裂嚴(yán)重、承載強(qiáng)度低，施工錨桿（索）支護(hù)后錨固效果差，支護(hù)失效率高，所以決定對(duì)頂板施工注漿錨索支護(hù)。

1）注漿錨索代替原頂板單錨索，注漿錨索主要由中空錨索、止?jié){塞、注漿管等部分組成；中空錨索采用9 股直徑為5 mm 鋼絲反麻花式編制而成，中空直徑為8 mm，錨索直徑為25 mm，中部孔內(nèi)安裝1 根注漿鋼管，錨索長度為8.3 m，錨索端頭為楔頭芯桿結(jié)構(gòu)，在端頭布置主出漿孔和輔助出漿孔，如圖1 所示。

圖1 注漿錨索結(jié)構(gòu)示意圖

2）在注漿錨索端頭采用直降塞進(jìn)行封堵，錨索外端頭安裝托盤及鎖具，將注漿軟管插入錨索中部孔內(nèi)，軟管一端與專用注漿泵連接，注漿材料選用馬麗散與催化劑混合的漿液[3-4]。

3）應(yīng)力區(qū)頂板每排布置3 根注漿錨索，錨索布置間距為1.8 m，布置排距為3.0 m，錨索外露端安裝拱形預(yù)應(yīng)力托盤，錨索預(yù)緊力為370 kN，錨索注漿壓力為6.5 MPa。

2.3 桁架錨索支護(hù)

由于受斷層牽引作用巷道進(jìn)入斷層區(qū)后頂板主要受垂直應(yīng)力作用，在垂直應(yīng)力持續(xù)作用下位于巖層深部的錨桿（索）錨固段圍巖出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致支護(hù)失效，所以決定對(duì)應(yīng)力區(qū)頂板施工桁架錨索支護(hù)，削弱垂直應(yīng)力作用[5]。

1）2210 巷頂板施工的桁架錨索主要由桁架錨索、墊片、拉緊器、圓鋼托架等部分組成，如圖2 所示，桁架錨索長度為4.0 m、直徑為17.8 mm，同一組錨索布置間距為2.0 m、排距為3.0 m。

圖2 2210 巷斷層區(qū)協(xié)同支護(hù)示意圖（單位：mm）

2）桁架錨索施工工序如下：首先在巷道應(yīng)力區(qū)頂板施工一組桁架錨索支護(hù)孔，孔對(duì)稱布置，深度為4.0m，直徑為25 mm，錨索與頂板布置斜角為75°；鉆孔施工后對(duì)鉆孔內(nèi)安裝3 支錨固劑，然后安裝錨索并通過鉆機(jī)進(jìn)行攪拌錨固，錨索安裝后外露長度控制在0.25m；同一組錨索安裝后在錨索外露端依次安裝圓鋼托架、張拉器，在托架與頂板之間安裝墊片，最后對(duì)錨索施加水平張拉力。

2.4 架設(shè)矩形鋼棚

為了進(jìn)一步提高頂板穩(wěn)定性，解決因構(gòu)造應(yīng)力作用下兩幫煤柱支撐強(qiáng)度降低，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)下沉、斷裂等技術(shù)難題，決定對(duì)構(gòu)造區(qū)架設(shè)密集矩形鋼棚。

1）架設(shè)的矩形工字鋼棚主要由U29 型鋼棚腿共計(jì)2 根、槽鋼頂梁1 根、底座2 個(gè)、拉桿2 根、卡纜若干個(gè)；其中棚腿長度為3.2 m，頂梁長度為4.2 m，拉桿長度為1.0 m。

2）工字鋼棚架設(shè)工序：首先在架棚區(qū)平整巷道底板，確保底座安裝在堅(jiān)硬底板上，底座采用地錨進(jìn)行固定；底座安裝后依次安裝棚腿、頂梁，棚腿與底座之間采用螺栓進(jìn)行固定，棚腿與頂梁之間采用卡纜進(jìn)行固定；待頂梁安裝后在相鄰2 架鋼棚棚腿之間采用拉桿進(jìn)行固定。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

2210 巷過斷層應(yīng)力區(qū)時(shí)對(duì)應(yīng)力區(qū)巷巷道頂板114 m 處和120 m 處分別安裝了一套數(shù)顯離層儀以及一側(cè)幫部變形監(jiān)測(cè)儀，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為1 號(hào)、2 號(hào)，并進(jìn)行30 d 現(xiàn)場(chǎng)觀察，取得了以下顯著應(yīng)用成效：

1）通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在未采取聯(lián)合支護(hù)的1 號(hào)測(cè)點(diǎn)巷道掘進(jìn)后在前10 d 范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重下沉、變形現(xiàn)象，最大下沉量達(dá)270 mm，錨桿（索）失效率達(dá)19%；在10～25 d 范圍內(nèi)頂板下沉速率逐漸減?。辉?5 d 后頂板趨于穩(wěn)定，實(shí)測(cè)頂板最大下沉量為360 mm，在25 d 后圍巖與支護(hù)實(shí)現(xiàn)局部耦合支護(hù)作用。

2）采取協(xié)同支護(hù)技術(shù)后巷道在前7 d 范圍內(nèi)同樣出現(xiàn)蠕動(dòng)變形，變形量為120 mm；在7～12 d 范圍內(nèi)頂板變形速率降低；在12 d 后頂板區(qū)域穩(wěn)定，頂板最大變形量為170 mm，頂板錨桿（索）失效率為3%，采用協(xié)同支護(hù)后蠕動(dòng)變形頂板提前實(shí)現(xiàn)了耦合支護(hù)作用。

3）2210 巷斷層區(qū)采取協(xié)同支護(hù)后，保證了巷道掘進(jìn)安全，降低了巷道修復(fù)量及勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，減少巷道維修費(fèi)用達(dá)17.9 萬元，巷道掘進(jìn)速度由原來的2.4 m/d 提高至6.0 m/d。

4 結(jié)語

燕子山礦對(duì)2210 巷掘進(jìn)過斷層區(qū)時(shí)提出了以超前管棚、注漿錨索、桁架錨索、工字鋼棚為一體的協(xié)同支護(hù)技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果來看，協(xié)同支護(hù)技術(shù)解決了大應(yīng)力圍巖支護(hù)質(zhì)量差、圍巖變形控制效果差、巷道掘進(jìn)效率低、危險(xiǎn)系數(shù)高等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了巷道過斷層應(yīng)力區(qū)安全快速掘進(jìn)的目的，為類似地質(zhì)條件下巷道掘進(jìn)提供了實(shí)踐依據(jù)。