馬道頭礦N2206 皮帶順槽掘進過斷層破碎帶支護研究

賀紅宙

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司，山西 朔州 038300）

0 引 言

井下回采巷道掘進、煤炭回采等難以避免需要揭露斷層破碎帶，斷層破碎帶內不僅巖層破碎而且存在構造應力集中，巷道在此位置掘進時容易出現離層、甚至頂板冒落問題，給井下煤炭正常開采工作帶來制約[1-2]?，F階段破碎帶發育高度通過鉆探、物探方式確定，存在探測偏差大、精度不高等問題，從而給巷道掘進至冒落帶圍巖控制帶來一定影響?，F階段眾多研究學者對巷道過破碎區圍巖變形破壞機理展開研究，并總結得到巷道掘進過破碎帶過程中圍巖位移[3-4]、應力[5]以及支護體系變形規律[6]，并提出采用超前大管棚、超前錨桿以及分布耦合支護等圍巖控制技術方案[7-8]，在現場實踐中取得較好應用成果。由于構造產生的圍巖破碎嚴重區域，如果巷道掘進過斷層破碎帶時不進行支護設計，極易導致巷道局部變形嚴重甚至出現冒落等問題，給巷道掘進以及后續煤炭開采等帶來較大影響。馬道頭礦北二盤區3 號N2206 皮帶順槽掘進過DF112 斷層期間，通過制定合理的圍巖支護參數實現了巷道安全掘進。

1 工程概況

1.1 地質概況

馬道頭礦北二盤區3 號層N2206 皮帶順槽及系統巷設計全長2 233.137 m，巷道寬5.4 m×高3.6 m，采用EBZ260 綜掘機沿3 號煤層底板掘進。煤層頂板為砂巖、炭質泥巖互層，巷道頂板巖層自身強度較低，遇空氣容易風化、遇水后強度進一步弱化。N2206 皮帶順槽主要用以3 號N8206 工作面煤炭運輸、進風等，預計巷道掘進至里程117、416、1 010 m 將依次揭露斷層DF112（H= 0-25 m）、DF120（H= 0-8 m），斷層影響范圍內煤巖層比較破碎。另外，工作面內部存在DF128（H=0-3 m），中部有DF124（H=0-19 m）貫穿工作面，但經過比較DF124 斷層兩邊煤層底板標高，分析該斷層落差較小，對采面生產影響交低，具體N2206 皮帶順槽揭露斷層情況見表1。

表1 斷層情況表

DF112 斷層破碎帶寬寬度約為2.5 m，破碎帶內充填巖石以砂巖、卵石、炭質泥巖等為主，巖層粘結力較差、巖體破碎，巷道掘進至此位置時極其容易出現頂板冒落。DF112 斷層對N2206 皮帶順槽掘進有較大影響，具體順槽與斷層交匯情況見圖1 所示。

圖1 順槽與斷層交匯示意圖

1.2 臨近順槽施工情況

N5208 回風順槽與N2206 皮帶順槽平行，兩巷間相距30 m，根據施工安排，N5208 回風順槽超前N2206 皮帶順槽約6 個月揭露DF112 斷層，在巷道過斷層期間由于對斷層產狀、破碎帶巖層參數等掌握不清楚，巷道呈出現一定程度冒落問題，冒頂高度2.6 m、寬度4.5 m、長5.2 m，后通過#字型木垛、錨網索、11 號工字鋼等對頂板冒落處進行處理，見圖2。

圖2 頂板冒落處處理示意圖

巷道掘進至斷層破碎帶時頂板冒落或者圍巖失穩等各類安全事故發生的主要原因是斷層破碎帶內巖體松散、不穩定以及現有的圍巖支護措施難以有效控制巷道圍巖穩定等因素導致。通過上述分析得出，現階段巷道采用的支護措施無法滿足巷道掘進過斷層破碎帶圍巖穩定性控制需要，因此需要針對斷層破碎帶圍巖具體特點針對性制定破碎帶圍巖控制措施。

2 巷道過破碎帶圍巖支護技術

DF112 斷層上下盤3 號煤層頂板直接頂均整體性以及膠結性較差的炭質泥巖、粉砂以及粗砂巖，巖層容易垮落。斷層破碎帶長度在2.5 m，破碎帶內松散的卵石、泥巖以及砂巖充填，但是破碎帶內不導水，巷道掘進過斷層破碎帶期間不需要采取針對性的防治水措施。

N2206 皮帶順槽掘進至DF112 斷層影響區時存在較大的安全風險，根據N2206 皮帶順槽工程地質條件并采用工程類比法，提出采用超前鋼管支護技術對斷層破碎帶巖體進行支護。通過采用超前鋼管可提高斷層破碎帶內巖體整體穩定性以及承載能力，不僅可為巷道掘進帶來較好條件而且可降低頂板冒落危險性以及下沉量。設計支護方案見圖3。

圖3 N2206 皮帶順槽過DF112 斷層破碎帶支護圖

斷層破碎帶支護使用的超前鋼管由φ40 mm鋼管制作，長度為2 000 mm，布置在掘進迎頭頂板上，鋼管仰角均為30°，間距200 mm。巷道掘進過斷層破碎帶時循環進尺控制在800 mm 以內，最大、最小空頂距分別為1 000、200 mm。

在N2206 皮帶順槽使用臨時支護完成掘進后，立刻構建以錨網索為核心的永久支護體系。巷道頂板布置采用2 根規格φ17.8 mm×1 1800 mm 錨索、4 根規格φ17.8 mm×6 300 mm 錨索進行全錨索支護，單根錨索提供的預緊力均在130 kN 以上，錨固端錨固力均在200 kN 以上；巷幫按照1 100 mm×1 100 mm 間排距布置高強螺紋鋼錨桿（規格φ18 mm×2 200 mm）支護錨桿扭矩均在120 N·m 以上；頂板錨索采用W 鋼帶連接，鋼帶規格為220 mm×4 mm×4 300 mm。全斷面鋪設菱形金屬網。巷道掘進完成后立即進初噴，封閉裸露巖層，減低圍巖風量程度以及涌水量；錨網索支護完成后，通過二次噴漿將錨網、錨桿以及鋼支架連接為一個相互作用支護結構體，提高巷道表層巖體支護強度。巷道頂板及巷幫表層噴射強度C20 混凝土、厚度100 mm。

3 破碎帶圍巖支護效果

N2206 皮帶順槽在掘進過DF112 斷層破碎帶期間，將巷道循環掘進進尺控制在800 mm 以內，從而降低掘進對圍巖擾動。采用超前鋼管支護、錨網索以及破碎段表層噴漿等聯合支護方式后，巷道掘進期間未出現頂板冒落、迎頭破碎巖體失穩等情況。為分析支護方案對斷層破碎帶圍巖控制效果，在N2206皮帶順槽掘進過斷層破碎帶時間隔3 m 布置2 個測站，在測站內分別對頂板表面位移，頂板上覆1.0、3.0 m 以及6.0 m 位置巖層位移及離層情況進行監測，具體監測結果見圖4 所示。

圖4 斷層破碎帶圍巖支護效果

從監測結果看出，在斷層破碎帶內巷道頂板上覆頂板巖層離層量隨著支護時間增加，呈現逐漸穩定趨勢，當監測超過38 d 后頂板離層基本穩定，其中頂板上覆6.0、3.0 m 以及1.0 m 位置離層量最大分別為6.5、28.2、30.6 mm，頂板離層量整體較小；在監測期間巷道頂板位移最大變形量為83 mm，頂板巖層穩定，未有冒頂跡象。表明，N2206 皮帶順槽掘過斷層破碎帶期間采取的圍巖支護方案可滿足破碎帶巖體控制需要，可滿足巷道安全掘進需要。

4 總 結

N2206 皮帶順槽掘進期間會揭露DF112（H=0-25 m）、DF120（H= 0-8 m）等斷層，斷層破碎內巖體破碎，會給巷道掘進安全以及圍巖控制等帶來一定制約。依據巷道以及斷層實際情況，并結合工程類比法提出具體巷道掘進過斷層破碎帶支護方案，并進行工程應用?，F場主要取得以下研究成果：

1）N2206 皮帶順槽掘進過程中遇DF112 斷層，受斷層破碎帶內巖體松散、粘結力等因素影響，巷道掘進至該位置容易出現冒頂事故，現場分析發現巷道過斷層破碎帶主要難點是如何確定頂板破碎巖體穩定。為此，提出以密集超前鋼管為核心的破碎巖體控制技術。

2）在掘進迎頭間隔200 mm 布置超前鋼管，并適當降低巷道掘進進尺以及空頂距離來對破碎頂板進行控制；同時使用錨網索及W 鋼帶構成永久支護體系對圍巖進行控制。

3）現場應用后，巷道掘進過斷層破碎帶期間未出現頂板冒落問題，使用超前鋼管支護后破碎帶巖層整體較為穩定，頂板最大變形量控制在83 mm 以內，圍巖變形不會給巷道使用帶來威脅。