掘進巷道過斷層復合支護技術應用

劉 亮

（大同煤礦集團有限責任公司晉華宮礦，山西 大同 037000）

1 工程概況

晉華宮煤礦2103 運輸巷位于井下301 采區南部，設計巷道總長632 m，為矩形斷面，規格為4.5 m×3.5 m。巷道沿12-2#煤層底板掘進。12-2#煤層結構簡單，賦存穩定，直接頂巖性主要為細砂巖與砂質頁巖，均厚5.9 m，基本頂巖性主要為粗砂巖，均厚9.7 m，無偽頂。

2103 運輸巷已施工155 m，地質資料中顯示，前方5 m 處將揭露F3逆斷層，斷層落差1.4 m，傾角45°，由于斷層規模較小。因此，采取直接掘進過斷層。受斷層影響，巷道在掘進至150 m 處時，巷道頂板已出現離層、冒落現象，掘進至155 m時，頂板破碎更為嚴重，巷道原支護效果遭到破壞，頂板維護難度大，影響巷道安全高效施工。

2 頂板原支護方案分析

2.1 原支護方案

2103 運輸巷在施工期間采用錨桿+ 錨索+ 鋼帶的支護方案。錨桿規格為Φ20 mm×2 000 mm，錨索規格為Φ17.8 mm×4 500 mm，鋼帶寬25 mm，長4.2 m；頂板采用每排5 根錨桿與3 根錨索進行支護，錨桿間排距為1 m，錨索間排距為1.8 m×3.0 m。錨桿端頭錨固長度為0.3 m，錨桿外露10～30 mm，錨索錨固長度為1.2 m，外露150～250 mm。錨桿打設完成后，每排錨桿布置一根鋼帶將其預緊。

2.2 問題分析

原頂板支護形式在過斷層期間，支護效果無法滿足巷道安全高效掘進，經分析，有兩點原因。

一是受斷層構造應力影響，在F3斷層影響范圍內，巷道頂板煤巖層結構遭到破壞，應力產生卸壓空間，上覆巖層壓力以及巷道掘進時的應力集中顯現，巷道掘進期間斷層兩側的煤巖體產生垂直剪切應力和水平張拉應力［1-4］，導致頂板穩定性遭到破壞，出現破碎、離層及冒頂現象。

二是支護強度不足，頂板打設錨桿長度2 m，根據地質資料顯示，煤厚為6.5 m，頂板以上煤厚還余2.0 m，錨桿外露10～30 mm。因此，錨桿無法有效打設到直接頂上，支護效果極差，容易出現離層現象。并且頂板受應力影響出現變形時，僅鋼帶強度無法抵抗，從而斷裂失效。

3 過斷層頂板綜合支護技術方案

為保證2103 運輸巷在過斷層掘進期間頂板的穩定性，提高施工效率，提出采用撞楔超前支護+ 絲杠空頂支護+ 注漿錨桿支護的聯合支護技術方案。

3.1 撞楔超前支護方案

該支護方案主采材料為鋼釬、夾板、錨固劑及固定錨桿。鋼釬規格為Φ30 mm×3 000 mm；夾板長度0.8 m，寬度0.3 m，材質為高強度鋼板，兩端各加工一個Φ30 mm的圓孔；固定錨桿規格為Φ20 mm×1 200 mm。

2103 運輸巷在掘進至F3斷層附近時，對巷道設計頂板位置垂直于煤壁施工一排鉆孔，孔徑32 mm，孔間距300 m，將鋼釬安裝至鉆孔內，外露0.2 m，使用錨固劑將鋼釬固定牢固，然后每3 根鋼釬使用夾板加緊，并在夾板兩端圓孔打設固定錨桿將鋼釬和夾板固定結實，在掘進期間循環此過程，直至過斷層結束［5-6］。

3.2 絲杠柱空頂支護

掘進過程中，巷道迎頭處會不可避免的存在空頂現象，由于斷層構造影響，空頂頂板極易出現冒頂，存在安全隱患，不利于頂板管理。因此，提出采用絲杠柱對空頂部分進行臨時支護，防止頂板冒落。空頂臨時支護使用材料主要有鋼梁、吊環、絲杠柱。鋼梁采用10 號槽鋼加工制成，分為橫梁和縱梁，長度分別為4.2 m和4.0 m。橫梁上加工焊制絲扣孔3 個，用以安裝絲杠柱。

巷道過在過斷層期間，迎頭出現1.5 m 以上空頂距時，需要對巷道最前方兩排錨桿的外露部分安裝吊環，每排安裝3 個，安裝兩排；吊環安裝牢固后將橫梁穿過3 個吊環，共安裝2 根橫梁，然后在橫梁上以垂直的方式安裝縱梁，間距為2.0 m，共安裝3 根縱梁，完成后升高絲杠柱，將縱梁頂起，緊貼頂板，對空頂部分進行支護。絲杠柱空頂支護結構見圖1。

圖1 絲杠柱空頂支護結構

3.3 注漿錨桿支護方案

注漿錨桿是通過注漿的方式將破碎圍巖的空隙進行充填，使之凝結成一個整體，從而提高圍巖的整體性，加強錨桿的錨固效果，同時降低施工頂板造成的擾動破壞。并且注漿錨桿支護能夠實現錨桿全長錨固作用［7］。該支護對使用的材料為注漿錨桿、JW型鋼帶、注漿軟管、注漿泵以及注漿材料。其中注漿錨桿長3.5 m，內部為中空，中空直徑為14 mm，注漿錨桿表面呈對稱分布兩排圓孔，直徑為10 mm，用于漿液流出；JW型鋼帶長0.5 m，寬0.28 m；注漿軟管直徑8 mm，使用聚氨酯做注漿材料。

巷道在過斷層時，對巷道頂板施工支護鉆孔，鉆孔垂直頂板布置，孔深3.5 m，孔徑30 mm，孔間排距為1.2 m，每排布置4 個支護鉆孔。將注漿錨桿安裝進鉆孔內，注漿軟管一段連接注漿錨桿，另一段連接注漿泵，連接完成后對注漿錨桿外露部分進行封孔，封孔材料使用膨脹水泥，注漿壓力為1.0 MPa，在注漿過程中保持壓力穩定，直至煤體出現滲漿后停止注漿［8］。注漿錨桿支護方案結構見圖2。

圖2 注漿錨桿支護剖面

4 實施效果

截至2019年6月27日，2103 運輸巷已完全掘過斷層，通過對巷道采用復合支護技術后，為了進一步驗證復合支護技術的實際效果，在巷道過斷層期間在頂板安裝了離層監測儀，監測周期30 d。巷道在采用復合支護技術后，0～6 d期間頂板出現變形，巷道頂板最大下沉量為118 mm，6～16 d期間巷道頂板垂直應力逐漸平穩，巷道頂板下沉量逐漸減少，16 d之后趨于穩定，巷道頂板不再下沉。控制住了頂板離層冒落。

5 結語

晉華宮煤礦2103 運輸巷于2019年6月完成過斷層掘進，使用原支護方案時，巷道在掘進過程中頂板管理難度大，安全性差，施工效率低，進度僅為1.7 m/d。在更改支護方案，采用綜合支護技術后，頂板下沉量大幅降低，不足120 mm，頂板冒落、破碎現象得到有效控制，施工效率得到了提高，進度提高至4.5 m/d，在巷道過斷層期間起到顯著的效果，具有推廣應用價值。