掘進巷道過斷層破碎帶圍巖控制技術

管幫軍

（汾西礦業集團高陽煤礦，山西 孝義 032300）

1 概述

汾西礦業集團高陽煤礦31115材料巷北鄰31117工作面（未采），南鄰31113工作面（未采），西部為井田西部邊界，東為三采區大巷保護煤柱。巷道設計長度為2345m，巷道斷面規格為寬×高=5.0×3.0m，巷道為矩形斷面，該巷道主要用于工作面掘進和回采時期設備材料的進出、行人和回采時進風。

31115材料巷掘進煤層為太原組9-10-11#煤，煤層平均厚度為7.58m，煤層起伏不大，煤層傾角3～6°，平均5°左右，屬緩傾斜煤層。施工巷道沿11#煤層頂板平行掘進。11#煤層無偽頂，直接頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為0.6m，基本頂主要以K2石灰巖為主，平均厚度為9.1m。31115材料巷采用機械化掘進施工工藝。根據三維地震探測發現，巷道掘進期間地質條件變化大，將揭露5個陷落柱，且陷落柱附近常有伴生斷層。其中340～420段位于斷層群帶，預計共計揭露11條斷層，其中正斷層4條，逆斷層7條，斷層最大落差為1.2m，平均落差為0.6m。31115材料巷初步支護設計采用錨桿、錨索、金屬菱形網、W鋼帶聯合支護，頂板每排布置5根錨桿，并采用長度為4.8m“W”型鋼帶與頂板預緊，錨桿長度為2.2m，錨桿間距×排距=1.1×1.0m；頂板錨索長度為6.3m，每排布置三根，錨索間距×排距=1.8×3.0m。

材料巷掘進至340m后，受地質構造影響，巷道頂板出現嚴重破碎現象，隨著巷道延伸，圍巖破壞現象加劇。當巷道掘進至360m處時頂板出現局部冒落現象，巷道掘進速度降低至2.7m/d，不僅制約著工程巷道安全高效施工，而且威脅著施工安全。

2 巷道圍巖聯合控制措施

為了提高巷道掘進效率，保證巷道施工安全，決定對斷層群帶圍巖采取“注漿+錨棚+桁架錨索”聯合控制措施。

2.1 注漿支護

（1）現場觀察發現31115材料巷受構造應力影響，巷道頂板及頂板往下1.5m范圍內巷幫破碎嚴重，所以決定對巷幫及頂板施工注漿鉆孔進行注漿施工。

（2）巷幫鉆孔施工在距頂板1.0m，鉆孔深度為3.0m，直徑為40mm，鉆孔與巷幫垂直夾角為30°，水平夾角為45°，巷幫各施工一個注漿鉆孔。

（3）頂板鉆孔共計施工一排，共計4個，鉆孔施工在距頂板1.5m煤壁處，鉆孔間距為1.2m，鉆孔深度為5.0m，鉆孔與頂板成45°仰角布置。

（4）頂板及巷幫注漿鉆孔施工完后，向鉆孔內依次埋入直徑為20mm鋼管，鋼管另一端與氣動注漿泵連接，注漿液選用聚氨酯粘合劑。該化學材料具有滲透能力強、凝固時間短等優點，注漿壓力為1.1MPa。

（5）為了保證圍巖不穩定巖體能夠與穩定巖體完全膠結，注漿2h后巷道方可繼續掘進。巷道每掘進5.0m對巷幫及頂板進行一次注漿支護。

2.2 桁架錨索支護

為了削弱頂板集中應力破壞作用，防止頂板離層現象，決定對頂板施工縱橫交錯式桁架錨索支護。

（1）桁架錨索支護主要由兩根長度為5.0m、直徑為21.6mm恒阻錨索，兩根長度為1.2m、直徑為20mm圓鋼托架，一個雙向張拉器等部分組成。

（2）首先在距巷幫1.5m處各施工兩根錨索，錨索橫向布置，錨索間排距為1.8m，同一組兩根錨索與頂板夾角為75°。恒組錨索施工完后，在錨索外露端安裝圓鋼托架，并采用鎖具進行預緊，采用張拉器對兩根圓鋼托架進行拉緊。

（3）第一組桁架錨索支護施工后施工第二架桁架錨索支護，第二組桁架支護縱向布置，錨索間排距為2.0m，施工工藝與第一組相同。第三組桁架錨索支護布置方式、施工工藝與第一組相同，如圖1所示，依次類推，直至巷道完全過斷層群。

2.3 錨棚支護

為了提高傳統永久錨桿、錨索支護強度，彌補單一鋼棚被動支護不足，決定對材料巷圍巖破壞區采取錨棚支護。

（1）錨棚支護主要對巷道圍巖采取鋼棚、錨索聯合支護，實現主動與被動支護聯合作用，提高圍巖穩定性目的。錨棚支護主要由槽鋼棚腿、工字鋼頂梁、錨索、連接梁等部分組成，頂梁上焊制三個圓孔，圓孔直徑為30mm，圓孔間距為1.8m，連接梁主要由一根長度為2.2m、寬度為0.30m“BHW”型鋼帶切割而成，梁兩端焊制兩個圓孔。

（2）為了避免巷道開挖后塑性變形對錨棚影響，錨棚支護應滯后工作面5.0m施工。錨棚施工在頂板相鄰兩根W型鋼帶中間，錨棚支護間距為1.0m，錨棚為矩形斷面，斷面規格與巷道斷面規格相同。

（3）首先在頂板施工三根錨索，錨索長度為6.3m，直徑為17.8mm，錨索外露長度為0.25m。每次施工兩排錨索，錨索間距為1.8m，排距為2.0m。錨索施工完后在錨索下方依次安裝連接梁及工字鋼頂梁，頂梁安裝在同一排錨索下方，連接梁共計三根，安裝在相鄰兩排錨索之間，安裝后采用鎖具將頂梁與頂板進行預緊。

（4）棚梁安裝后在巷道底板處安裝底座，底座必須與穩定平整底板安裝牢固。底座安裝后安裝棚腿，棚腿槽鋼平面與巷幫面接觸嚴實，頂梁與棚腿之間采用卡纜進行固定。鋼棚安裝后若發現棚腿、頂梁與巷道圍巖未完全接觸，存在間隙時，應采用水泥背板進行填塞。

圖1 31115材料巷斷層帶應力區聯合支護斷面示意圖

3 應用效果

（1）采用注漿支護后改變圍巖物理性質，使其單軸抗壓強度由原來的21MPa提高至57MPa，提高了圍巖膠結穩定性及承載能力，使幫、頂注漿巖體之間形成穩定的支撐梁，有效提高了破碎圍巖支護作用。

（2）桁架支護具有施工工藝簡單、支護效果好、實用性強等優點，該支護產生的主動支撐作用力，能夠在一定程度上削弱頂板垂直應力破壞作用，從而提高頂板承載上限，防止頂板下沉、離層現象。

（3）錨棚支護解決了單一鋼棚支護時支撐作用力低、鋼棚破壞變形現象嚴重等技術難題。在頂板破壞作用小時，錨棚以主動支護形式實現對頂板進行主動支護；當頂板破壞作用大時，錨棚以主動與被動相結合的方式對頂板進行支護，提高了支護強度，防止了頂板冒落現象。

（4）通過實際觀察發現，31115材料巷圍巖采取聯合控制措施后，在后期掘進過程中，頂板未出現嚴重破碎、冒落現象，頂底板最大移近量控制在0.21m以下，巷幫片幫現象得到有效控制，巷道有效斷面為設計斷面的95%以上，控制了圍巖變形現象。