31 采區2#回風巷掘進過斷層破碎帶支護技術研究

康 健

（潞安化工集團慈林山煤業有限公司夏店煤礦，山西 長治 046000）

在煤礦回采巷道的掘進施工過程中，經常會遇到斷層及破碎帶等地質條件較差的區域，這些區域的巖層具有低強度、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重、圍巖破碎、維護困難、直接影響安全的地帶[4-5]，是巷道圍巖控制的重難點區域。夏店煤礦31 采區2#回風巷道的掘進過程中穿越F2 斷層破碎帶，巷道圍巖變形較大，頂板掉矸嚴重，片幫量大。經過現場研究，采用超前管棚支護+噴射混凝土作為臨時支護，可以提供一個安全穩定的工作空間，采用錨桿+錨索+金屬網+型鋼梁作為永久支護，可以長期地保證巷道變形量在規定范圍內，取得了很好的工程效果。

1 概述

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

巷道所在煤層為山西組中下部3#煤層，煤層厚度穩定，煤層含一層夾矸。巷道正前方存在F2 斷層，在巷道掘進約240 m 處開始進入斷層影響范圍。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，設計長度534 m。巷道開口采用人工風鎬開口，開口掘進約15 m 后，將綜掘機移機至巷內，以機掘方式繼續向前掘進。

2 原巷道支護方案

在巷道掘進進入斷層破碎區之前，巷道支護的方式為臨時支護+永久支護的方案。

（1）臨時支護為管式前探梁臨時支護。采用2根前端增加一套防片幫裝置的4 m 長3.3 m 加厚鋼管，每個防片幫的裝置上有3 組T 型掛鉤，用于安設逼幫板。在前進方向左右幫第二根頂板錨桿上用4 套特制鋼卡將逼幫板吊掛在該處，并將一塊和逼幫板規格相同的護頂板放在前探梁頂部，使之隨前探梁前移而前移，臨時支護完畢后護頂板必須可靠絞頂。

（2）永久支護采用金屬網+錨桿+錨索+鋼筋托梁聯合支護。頂板支護中錨桿長度2400 mm，直徑22 mm，采用端頭錨固的方式，錨桿打設與頂板（節理面）垂直，兩側角錨桿與巷道頂板成80°。設計排距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，長度4800 mm。金屬網采用10#鐵絲編制而成，網孔規格50 mm×50 mm，網片規格5400 mm×1100 mm，用14#鉛絲聯接，頂幫搭接200 mm，長幫對接，雙絲雙扣，孔孔相聯。錨索直徑為21.8 mm，長度為7300 mm，端頭錨固，布置排距為1000 mm，居中布置（2-3-2-3-2）。第一排第一根打設在距巷道左幫1 m 處，第二根打設在距巷道右幫1 m 處，第三根打設在巷道正中，第二排第一根打設在距巷道左幫1.5 m 處，第二根打設在距巷道左幫1.5 m 處，第二根打設在距巷道右幫1.5 m 處。

巷幫支護中錨桿長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，長度3300 mm。網片采用10#鐵絲編制的金屬網，網孔規格50 mm×50 mm，網片規格3200 mm×1100 mm，用14#鉛絲聯接，頂幫搭接200 mm，長幫對接，雙絲雙扣，孔孔相聯。

支護方案如圖1。

采用這種支護方案在進入斷層破碎區后，頂板掉矸嚴重，片幫現象嚴重，臨時支護已經無法保證安全的工作空間。通過對頂板和兩幫變形的監測，發現在原永久支護措施下，巷道頂板和兩幫的位移嚴重。因此，需要對斷層破碎區的巷道支護方案進行調整，以適應地質條件變化造成的不良影響。

圖1 31 采區2#回風巷掘進過程中的原支護方案

3 斷層破碎區巷道的改進支護方案

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

（2）永久支護方案在原支護方案的基礎上進行改進，變為金屬網+錨桿+錨索+型鋼梁聯合支護。具體改進之處為：

① 頂板錨索的數量由3 個變為5 個，間距改為1000 mm。增加錨索的數量是利用懸吊理論，將圍巖中破碎的塊體更多的與圍巖深處的穩定的巖體連接為一體，增加圍巖的穩定性；

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，降低每個錨桿所承受的剪應力并提高其抗剪強度；

③ 將原支護方案中的鋼筋托梁變為π型鋼梁，并將π 型鋼梁作為錨桿、錨索的托板，增加整個支護方案的整體性，利用π 型鋼梁中的柱梁來被動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。

改進后的支護方案示意圖如圖2。

圖2 31 采區2#回風巷掘進過程中的改進支護方案

4 效果

在巷道掘進過程中，對巷道頂板和兩幫的變形量進行為期30 d 的監測，并將每天的變形量進行記錄分析。圖3 為斷層破碎區內采區巷道在300 m處和340 m 處變形圖。從圖中可以看出，改進支護方案后，頂板和兩幫的變形量最大分別為25 mm、49 mm，分別降低為原支護方案下變形量的9.9%、15.3%。除此之外，采用改進后的支護方案，巷道頂板的掉矸現象幾乎不再出現，片幫現象變為偶有發生。在臨時支護的作用下，掘進工作和永久支護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2#回風巷道的工作面已經掘進至380 m 處，順利通過了F2 斷層破碎帶區域，巷道圍巖整體性增強。如圖4 所示為巷道在斷層破碎區改進支護方案前后的頂板和兩幫的最大變形量。

圖3 31 采區2#回風巷在300 m 處和340 m 處變形規律圖

圖4 31 采區2#回風巷在破碎區改進支護方案前后最大變形量對比圖

5 結論

在夏店煤礦31 采區2#回風巷掘進工作面經過斷層破碎帶時，采用開挖后才進行施工的管式前探梁臨時支護和金屬網+錨桿+錨索+鋼筋托梁聯合永久支護出現了許多工程問題，不利于工程安全和高效進行。經過分析，采用超前的管棚支護+開挖后噴射混凝土的臨時支護，并對永久支護中的錨索數量等進行了改進，取得了良好的工程效果。