31 采區(qū)2#回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)斷層破碎帶支護(hù)技術(shù)研究

康 健

（潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

在煤礦回采巷道的掘進(jìn)施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到斷層及破碎帶等地質(zhì)條件較差的區(qū)域，這些區(qū)域的巖層具有低強(qiáng)度、透水性高、易于變形等軟巖特征[1-3]，也造成了這些地方是圍巖變形嚴(yán)重、圍巖破碎、維護(hù)困難、直接影響安全的地帶[4-5]，是巷道圍巖控制的重難點(diǎn)區(qū)域。夏店煤礦31 采區(qū)2#回風(fēng)巷道的掘進(jìn)過(guò)程中穿越F2 斷層破碎帶，巷道圍巖變形較大，頂板掉矸嚴(yán)重，片幫量大。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究，采用超前管棚支護(hù)+噴射混凝土作為臨時(shí)支護(hù)，可以提供一個(gè)安全穩(wěn)定的工作空間，采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+型鋼梁作為永久支護(hù)，可以長(zhǎng)期地保證巷道變形量在規(guī)定范圍內(nèi)，取得了很好的工程效果。

1 概述

31 采區(qū)2#回風(fēng)巷開(kāi)口位置在31 采區(qū)2#回風(fēng)巷出煤聯(lián)巷口向北109 m（正中）處的巷道西幫，開(kāi)口以方位角282°38′46″向前掘進(jìn)403 m，再以方位角192°38′46″沿煤層頂板向南掘進(jìn)116 m，最后再以方位角102°38′46″繼續(xù)掘進(jìn)15 m 后與31 采區(qū)皮帶巷末端貫通。該巷道南面為31 采區(qū)專回，北面和西邊為未開(kāi)采的煤體，東面為31 采區(qū)2#回風(fēng)巷出煤聯(lián)巷。

巷道所在煤層為山西組中下部3#煤層，煤層厚度穩(wěn)定，煤層含一層夾矸。巷道正前方存在F2 斷層，在巷道掘進(jìn)約240 m 處開(kāi)始進(jìn)入斷層影響范圍。巷道斷面為矩形，毛斷面寬5.2 m，高3.5 m，凈斷面寬5 m，高3.5 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度534 m。巷道開(kāi)口采用人工風(fēng)鎬開(kāi)口，開(kāi)口掘進(jìn)約15 m 后，將綜掘機(jī)移機(jī)至巷內(nèi)，以機(jī)掘方式繼續(xù)向前掘進(jìn)。

2 原巷道支護(hù)方案

在巷道掘進(jìn)進(jìn)入斷層破碎區(qū)之前，巷道支護(hù)的方式為臨時(shí)支護(hù)+永久支護(hù)的方案。

（1）臨時(shí)支護(hù)為管式前探梁臨時(shí)支護(hù)。采用2根前端增加一套防片幫裝置的4 m 長(zhǎng)3.3 m 加厚鋼管，每個(gè)防片幫的裝置上有3 組T 型掛鉤，用于安設(shè)逼幫板。在前進(jìn)方向左右?guī)偷诙敯邋^桿上用4 套特制鋼卡將逼幫板吊掛在該處，并將一塊和逼幫板規(guī)格相同的護(hù)頂板放在前探梁頂部，使之隨前探梁前移而前移，臨時(shí)支護(hù)完畢后護(hù)頂板必須可靠絞頂。

（2）永久支護(hù)采用金屬網(wǎng)+錨桿+錨索+鋼筋托梁聯(lián)合支護(hù)。頂板支護(hù)中錨桿長(zhǎng)度2400 mm，直徑22 mm，采用端頭錨固的方式，錨桿打設(shè)與頂板（節(jié)理面）垂直，兩側(cè)角錨桿與巷道頂板成80°。設(shè)計(jì)排距1000 mm，每排6 根錨桿，間距900 mm，靠近幫上的一根頂錨桿距巷幫250 mm。鋼筋托梁采用Ф16 mm 的鋼筋焊接而成，寬度80 mm，長(zhǎng)度4800 mm。金屬網(wǎng)采用10#鐵絲編制而成，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格5400 mm×1100 mm，用14#鉛絲聯(lián)接，頂幫搭接200 mm，長(zhǎng)幫對(duì)接，雙絲雙扣，孔孔相聯(lián)。錨索直徑為21.8 mm，長(zhǎng)度為7300 mm，端頭錨固，布置排距為1000 mm，居中布置（2-3-2-3-2）。第一排第一根打設(shè)在距巷道左幫1 m 處，第二根打設(shè)在距巷道右?guī)? m 處，第三根打設(shè)在巷道正中，第二排第一根打設(shè)在距巷道左幫1.5 m 處，第二根打設(shè)在距巷道左幫1.5 m 處，第二根打設(shè)在距巷道右?guī)?.5 m 處。

巷幫支護(hù)中錨桿長(zhǎng)2000 mm，直徑為20 mm，錨桿排距為1000 mm，每排每幫4 根錨桿，間距為1000 mm。錨桿打設(shè)與巷幫垂直，最下部一根、最上部一根與巷道幫部夾角為80°。鋼筋托梁采用Ф16 mm 的鋼筋焊接而成，寬度80 mm，長(zhǎng)度3300 mm。網(wǎng)片采用10#鐵絲編制的金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片規(guī)格3200 mm×1100 mm，用14#鉛絲聯(lián)接，頂幫搭接200 mm，長(zhǎng)幫對(duì)接，雙絲雙扣，孔孔相聯(lián)。

支護(hù)方案如圖1。

采用這種支護(hù)方案在進(jìn)入斷層破碎區(qū)后，頂板掉矸嚴(yán)重，片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，臨時(shí)支護(hù)已經(jīng)無(wú)法保證安全的工作空間。通過(guò)對(duì)頂板和兩幫變形的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在原永久支護(hù)措施下，巷道頂板和兩幫的位移嚴(yán)重。因此，需要對(duì)斷層破碎區(qū)的巷道支護(hù)方案進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)地質(zhì)條件變化造成的不良影響。

圖1 31 采區(qū)2#回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中的原支護(hù)方案

3 斷層破碎區(qū)巷道的改進(jìn)支護(hù)方案

（1）針對(duì)原臨時(shí)支護(hù)方案的不足，通過(guò)研究，決定采用超前管棚支護(hù)+噴射混凝土作為臨時(shí)支護(hù)。其目的是利用噴射混凝土增加破碎區(qū)煤塊之間的粘結(jié)性，增加巷道圍巖整體性，并利用混凝土層和管棚增強(qiáng)圍巖的力學(xué)性能。施工參數(shù)為：在巷道掘進(jìn)面前方施工直徑為50 mm、深度為6000 mm 鉆孔，向上傾斜5°，并掃孔。掃孔結(jié)束后再向內(nèi)打入長(zhǎng)度為7000 mm 鋼管，鋼管間距為300 mm，外露長(zhǎng)度為500 mm。將外露端部固定在后方的永久支護(hù)鋼架上。由于前方掘進(jìn)煤體較為破碎，管棚的前方在煤巖體上的長(zhǎng)度最小控制在2 m，巷道每次掘進(jìn)4.5 m，之后進(jìn)行混凝土噴射，噴射混凝土標(biāo)號(hào)為C20，厚度為50 mm。隨后再開(kāi)始進(jìn)行永久支護(hù)的施工。

（2）永久支護(hù)方案在原支護(hù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，變?yōu)榻饘倬W(wǎng)+錨桿+錨索+型鋼梁聯(lián)合支護(hù)。具體改進(jìn)之處為：

① 頂板錨索的數(shù)量由3 個(gè)變?yōu)? 個(gè)，間距改為1000 mm。增加錨索的數(shù)量是利用懸吊理論，將圍巖中破碎的塊體更多的與圍巖深處的穩(wěn)定的巖體連接為一體，增加圍巖的穩(wěn)定性；

② 將錨桿的間距由900 mm 改為600 mm，并將錨桿的直徑由22 mm 改為26 mm，降低每個(gè)錨桿所承受的剪應(yīng)力并提高其抗剪強(qiáng)度；

③ 將原支護(hù)方案中的鋼筋托梁變?yōu)棣行弯摿海ⅵ?型鋼梁作為錨桿、錨索的托板，增加整個(gè)支護(hù)方案的整體性，利用π 型鋼梁中的柱梁來(lái)被動(dòng)抵抗巷道頂板的向下位移。π 型鋼梁中頂梁采用工字鋼，柱梁采用圓柱形鋼。

改進(jìn)后的支護(hù)方案示意圖如圖2。

圖2 31 采區(qū)2#回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中的改進(jìn)支護(hù)方案

4 效果

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)巷道頂板和兩幫的變形量進(jìn)行為期30 d 的監(jiān)測(cè)，并將每天的變形量進(jìn)行記錄分析。圖3 為斷層破碎區(qū)內(nèi)采區(qū)巷道在300 m處和340 m 處變形圖。從圖中可以看出，改進(jìn)支護(hù)方案后，頂板和兩幫的變形量最大分別為25 mm、49 mm，分別降低為原支護(hù)方案下變形量的9.9%、15.3%。除此之外，采用改進(jìn)后的支護(hù)方案，巷道頂板的掉矸現(xiàn)象幾乎不再出現(xiàn)，片幫現(xiàn)象變?yōu)榕加邪l(fā)生。在臨時(shí)支護(hù)的作用下，掘進(jìn)工作和永久支護(hù)的施工工作均可以安全高效快速地完成。

截至2020 年6 月11 日， 31 采區(qū)2#回風(fēng)巷道的工作面已經(jīng)掘進(jìn)至380 m 處，順利通過(guò)了F2 斷層破碎帶區(qū)域，巷道圍巖整體性增強(qiáng)。如圖4 所示為巷道在斷層破碎區(qū)改進(jìn)支護(hù)方案前后的頂板和兩幫的最大變形量。

圖3 31 采區(qū)2#回風(fēng)巷在300 m 處和340 m 處變形規(guī)律圖

圖4 31 采區(qū)2#回風(fēng)巷在破碎區(qū)改進(jìn)支護(hù)方案前后最大變形量對(duì)比圖

5 結(jié)論

在夏店煤礦31 采區(qū)2#回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面經(jīng)過(guò)斷層破碎帶時(shí)，采用開(kāi)挖后才進(jìn)行施工的管式前探梁臨時(shí)支護(hù)和金屬網(wǎng)+錨桿+錨索+鋼筋托梁聯(lián)合永久支護(hù)出現(xiàn)了許多工程問(wèn)題，不利于工程安全和高效進(jìn)行。經(jīng)過(guò)分析，采用超前的管棚支護(hù)+開(kāi)挖后噴射混凝土的臨時(shí)支護(hù)，并對(duì)永久支護(hù)中的錨索數(shù)量等進(jìn)行了改進(jìn)，取得了良好的工程效果。