煤巷過斷層支護技術研究

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害之一，占據煤礦井下人員傷亡事故的50%[1]。在煤礦生產中，斷層為常見的地質構造，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頂板事故。在分析總結現有過斷層方法的基礎上，團柏煤礦針對11-1052巷提出了具體的過斷層支護技術方案，對于指導巷道安全快速掘進，具有重要意義。

1 斷層區易發生頂板事故的原因

在我國各個礦區所發生的頂板事故案例中，巷道遇到斷層構造發生頂板事故以及巷道發生變形的原因主要有以下幾點[2]：①工程地質條件突變。不同于其他生產活動，煤礦地質條件復雜多樣，限于物探技術手段，過去在煤巷掘進過程中往往無法對前方地質條件進行準確預估，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條件時，原有支護無法滿足要求，從而引發產生頂板事故的危險。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，由于對斷層構造區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造帶來的影響，使得發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，需采取架棚及打設加強錨索等方式補強支護。同時，對落差較大的斷層，應采用臺階施工方式，逐步施工到位。

3 巷道工程地質條件

團柏煤礦11-1052巷服務于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，其四鄰關系如圖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。巷道設計長度1 671 m，設計斷面為4.4 m(寬)×2.7 m(高)。

圖3 巷道四鄰關系示意

4 巷道過斷層支護技術

4.1 斷層情況

根據礦方水害防控中心的地質預報顯示，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 煤層頂底板綜合柱狀圖

4.2 過斷層方法及支護技術

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，應立即停止作業。巷道掘進仍采用機掘方式掘進，小循環作業，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“錨網索支護”不能有效控制時，則將巷道支護方式變更為“錨網索+架棚”聯合支護[5]。具體支護參數如下：

1) 錨網索支護。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)，均采用規格為CK2340+Z2360兩支樹脂錨固劑進行錨固，錨桿預緊扭矩不低于300 N·m。托板采用拱型高強度托板，規格為150 mm×150 mm×8 mm，托板高度不低于38 mm，配合調心球墊和減摩墊圈使用。選用規格為450 mm×4 mm×280 mm的W鋼護板作為組合構件，采用10號鐵絲編織的菱形金屬網護頂，網孔規格為50 mm×50 mm，網片規格分別為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股高強度低松弛預應力鋼絞線，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，配調心球墊。錨索張拉預緊力不低于180 kN。錨桿及錨索全部垂直頂板或巷幫布置。

2) “錨網索+架棚”聯合支護。當頂板破碎嚴重時，采用“錨網索+架棚”聯合支護方式。“錨網索”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，小循環作業，掘一支一，工作面滿足一架棚距時，必須先架設棚子。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木進行盤幫構頂，橫梁上2根撐木，在距梁頭兩側300 mm的位置各搭設一根。每側棚腿上2根撐木，距梁頭600 mm、1 900 mm處各搭設1根撐木。每側棚腿為4根構木，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 巷道礦壓監測

在巷道通過斷層期間，安設一個礦壓監測測站，監測掘進期間錨桿受力變化。根據掘進期間的礦壓監測數據，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，能夠充分發揮高預應力主動支護的作用，錨桿受力在巷道掘進期間整體表現較為平穩。同時結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，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。礦壓監測表明，采用上述過斷層技術方案，成功地保證了巷道的安全掘進。

6 結 語

采用后退挑頂法過斷層，結合“錨網索”支護與“錨網索+架棚”聯合支護形式，成功解決了團柏礦11-1052巷過斷層難題。礦壓監測結果表明，巷道變形較小，錨桿受力變化較為平穩。保證了巷道正常有序掘進。

圖5 礦壓監測曲線