斷層應力區(qū)拱形巷道聯(lián)合支護技術應用

劉殿龍

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

大同煤礦集團馬道頭煤業(yè)公司輔運延伸巷位于井田北盤區(qū)。工程由山西宏宇誠鑄建設工程有限公司承包。

輔運延伸巷設計長度為188 m，為三心拱形斷面，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.6 m×4.3 m，其中拱形部高度為2.8 m，直墻部高度為1.5 m，采用爆破施工工藝。巷道位于3#～5#煤層分叉區(qū)段，其中5#煤層厚度10.56～17.43 m，平均14.11 m；3#煤層厚度3.35～6.05 m，平均4.7 m；3#～5#煤層夾矸厚度0.71～2.69 m，平均1.4 m，巖性主要為泥巖、炭質泥巖及高嶺質泥巖。施工巷道沿3#煤層頂板掘進，為全煤巷道。

輔運延伸巷無偽頂，直接頂主要為黑色泥巖與粉砂巖互層，平均厚度為3.4 m，巖體平均單軸抗壓強度為21 MPa，抗剪強度為3.4 MPa；基本頂主要以灰白色中粗砂巖為主，平均厚度為6.2 m，平均抗壓強度為30.2 MPa，抗剪強度為6.97 MPa。

根據馬道頭煤礦地測科提供的資料，輔運延伸巷掘進至140 m處揭露一條DF3逆斷層，斷層走向斜交三條大巷，落差2.5 m，為逆斷層，平均傾角為65°，見圖1。受構造應力影響，輔運延伸巷掘進至128 m處巷道拱部出現局部劈裂破壞現象，掘進至132 m處時出現冒落現象，變形嚴重，頂板最大下沉量達620 mm，最大底鼓量達490 mm。巷道支護失效率高，掘進速度降低至2.1 m/d，嚴重制約著安全高效掘進。

圖1 輔運延伸巷過DF3斷層剖面

2 原錨網索支護問題分析

2.1 支護設計

（1）輔運延伸巷初步設計中頂板采用“W型鋼帶+無縱筋螺紋鋼錨桿+單錨索”聯(lián)合支護方式。頂板錨桿采用長度為2.5 m，直徑為22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，共計6根，W型鋼帶長度為5.3 m，鋼帶上焊制6個錨桿鉆孔，孔間距為0.9 m，鋼帶排距為1.0 m，錨桿與鋼帶配套使用；頂板錨索長度為5.3 m，直徑為17.8 mm，每排施工3根單錨索，錨索間距為1.8 m，排距為3.0 m。

（2）巷幫部采用錨桿支護，每排施工兩根，錨桿采用長度為2.0 m，直徑為22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿配套一塊長度為450 mm“W”型鋼帶；第一排錨桿施工在拱部與直墻交接點處，錨桿間距為1.0 m，排距為1.0 m。

2.2 存在的主要問題

（1）巷道劈裂破壞嚴重。輔運延伸巷采用的是半圓拱形巷道斷面，拱形弧長達8.4 m，而原頂板支護設計中鋼帶長度為5.3 m，鋼帶無法對拱形頂板實現全封閉支護，在構造應力作用下巷道肩部及幫部劈裂破壞嚴重，圍巖變形劇烈，巷道拱形頂板受兩側圍巖應力相互擠壓作用，巷道形狀逐漸變成尖頂狀。

（2）頂巖穩(wěn)定性差。輔運延伸巷直接頂主要以軟質混合巖層為主，巖體單軸抗壓強度低，巷道掘進后頂板承載能力差，在進行頂板錨桿支護時鉆孔施工對不穩(wěn)定巖體產生嚴重擾動破壞，破壞了巖體完整性，巖體內摩擦力減小，在應力作用下巖體裂隙發(fā)育，產生卸壓區(qū)。

（3）支護效果差。原設計中頂板鋼帶寬度為200 mm，鋼帶支護時無法與拱形頂板完全吻合，降低了鋼帶對頂板的支撐作用效果。同時頂板錨桿長度為2.5 m，錨桿錨固長度不足0.9 m，屬于半錨支護狀態(tài)，錨桿錨固端位于破碎巖體內，錨桿錨固效果及抗滑能力差，導致頂板錨桿失效現象嚴重。

3 聯(lián)合支護技術應用

輔運延伸巷斷層應力區(qū)采用“JW型鋼帶連橋+管式注漿錨桿+錨索+U29鋼棚”聯(lián)合支護，支護方式斷面、平面見圖2、圖3。

3.1 “JW”型鋼帶連橋支護

為實現鋼帶對拱形巷道全斷面支護，提高鋼帶支護強度，降低巷道壁劈裂破壞，對原支護設計中W型鋼帶支護進行優(yōu)化，采用“JW”型鋼帶連橋支護。

“JW”型鋼帶連橋支護設計包括頂部3根弧形鋼帶，巷幫2根線型鋼帶，鋼帶寬度為380 mm。頂部弧形鋼帶長度為2.8 m，每根鋼帶焊制3個直徑30 mm圓孔；幫部線型鋼帶長度為1.5 m，每根鋼帶焊制2個直徑為30 mm圓孔。孔間距為1.0 m。“JW”型鋼帶連橋支護排距為1.2 m。

（1）首先采用錨索鉆機在巷道拱形頂中部施工2個深度為6.0 m，直徑為25 mm鉆孔，鉆孔施工完后錨固一根長度為6.3 m，直徑為21.6 mm恒阻錨索，錨索外露長度控制在0.15～0.25 m范圍內。

（2）頂部錨索安裝后在其下端安裝一根弧形鋼帶，并進行預緊固定；第一根弧形鋼帶固定后，將剩下兩根鋼帶第一個鉆孔與第一根鋼帶首尾鉆孔疊加布置，并同樣采用一根恒阻錨索固定。

（3）頂部弧形鋼帶固定后，將幫部線型鋼帶與弧形鋼帶同樣疊加搭接，并在搭接出采用一根長度為3.5 m，恒阻錨索進行固定，見圖2。

3.2 管式錨注支護

為了實現錨桿全錨效果，提高破碎巖體膠結穩(wěn)定性，減少鉆孔擾動破壞，對原設計中錨桿進行優(yōu)化，采用管式錨注支護。注漿錨桿長度為3.0 m，錨桿直徑為25 mm，錨桿中部焊制1個孔徑為12 mm圓孔，且延伸至桿體底部，在桿體兩側上均勻焊制5個直徑為6 mm圓孔，且與中部孔連通，圓孔間距為0.5 m。水泥、水玻璃混合液中水泥采用P.O 42.5R硅酸鹽水泥，選用40°Be＇水玻璃，水泥與水玻璃配比為4∶5。

（1）巷道全斷面施工5根注漿錨桿，其中拱形頂部施工3根，幫部施工2根。頂部注漿錨桿施工在弧形鋼帶中部，幫部注漿錨桿施工在巷幫中部，見圖2。

（2）管式注漿錨桿安裝后，在其外露端外絲尾套連接注漿軟管，采用TBW-50/15型泥漿泵注漿，注漿壓力控制在0.8 MPa，注漿時從頂部向幫部依次施工，注漿期間發(fā)現巖體有漿液滲出現象時立即停止注漿。

（3）注漿完成后采用海帶及膨脹水泥對管式錨桿中部注漿孔進行封堵，并在錨桿外露端安裝拱形墊片及螺母，將其與鋼帶預緊，預緊力不得低于200 N·m。

3.3 架設U29型鋼棚

為了提高兩幫煤柱對頂板支撐作用，避免兩幫煤柱產生剝離破壞以及底板鼓起等現象，斷層破碎帶架設U29型鋼棚加強支護。

（1）U29型鋼棚主要由弧形頂梁（3節(jié)）、棚腿（2根）、卡纜等部分組成，每節(jié)弧形頂梁長度為3.0 m，棚腿長度為1.5 m，鋼棚每節(jié)棚腿或頂梁對接長度不得低于0.2 m，并采用卡纜進行固定。

（2）U29型鋼棚架設間距為1.5 m，鋼棚架設后鋼棚與圍巖之間預留寬度為0.2 m間隙，并采用長度為1.6 m水泥板背幫，在相鄰兩架鋼棚之間采用3組拉桿進行固定。

圖2 輔助延伸巷斷層破碎帶聯(lián)合支護斷面

圖3 輔運延伸巷斷層破碎帶聯(lián)合支護平面

4 實際應用效果分析

針對馬道頭煤礦輔運延伸巷過斷層構造應力區(qū)，頂板破碎、巷道成型差、支護難度大等技術難題，分析了原支護設計主要存在的問題，提出“JW型鋼帶連橋+管式錨注+錨索+U29型工字鋼棚”聯(lián)合支護措施，實際應用取得了顯著成效。

1）與傳統(tǒng)“W”型鋼帶相比，“JW”型鋼帶連橋支護實現了拱形巷道全斷面支護的目的，防止了巷道肩角、巷幫出現劈裂破壞。同時，“JW”型鋼帶寬度增加，提高了圍巖支護斷面，而且頂板弧形鋼帶能夠與拱形頂部相吻合，避免線型鋼帶支護時鋼帶彎曲變形大，與頂板接觸不緊密現象，提高了鋼帶支護作用。

2）管式錨注支護是將錨桿支護與注漿技術有機的結合在一起，對于節(jié)理裂隙發(fā)育的斷層破碎帶，注漿可以改變圍巖的松散結構，提高粘聚力和內摩擦角，使巖體強度顯著提高，使圍巖形成穩(wěn)定完整的承載梁，而且注漿后可將短錨支護改變?yōu)槿^支護，提高了支護體抗滑能力。

3）通過對拱形巷道架設U29型鋼棚不僅進一步提高了頂板穩(wěn)定性，防止了頂板破碎、下沉現象，而且U29型鋼棚減小了頂板垂直應力對巷幫煤墻破壞作用，防止巷幫煤墻片幫、底板鼓起等現象，提高了巷道成型率。

通過對巷道圍巖觀察發(fā)現，輔運延伸巷采取聯(lián)合支護后，巷道成型率大大提高，未出現頂板破碎、冒落現象，避免了巷道二次修復等工序，頂板最大下沉量控制在120 mm以下，縮短了巷道支護時間，巷道掘進速度提高至4.2 m/d。過斷層構造應力區(qū)期間減少支護成本費用達7.9萬元。