斷層破碎帶高冒頂板巷道支護(hù)技術(shù)研究

武匯集

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

斷層是煤炭資源開采時(shí)常見構(gòu)造，在斷層破碎帶內(nèi)煤巖體破碎、承載能力以及穩(wěn)定性較差，巷道掘進(jìn)至此區(qū)域時(shí)容易出現(xiàn)冒頂事故，制約巷道掘進(jìn)效率以及使用安全[1-3]。現(xiàn)階段破碎帶發(fā)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(jìn)至冒落帶圍巖控制帶來一定影響[4-5]。現(xiàn)階段研究學(xué)者主要提出采用注漿方式對冒落帶圍巖進(jìn)行加固，從而實(shí)現(xiàn)巷道安全掘進(jìn)[6-9]。本文以山西某礦10101 回風(fēng)巷掘進(jìn)過斷層破碎帶為工程背景，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件提出采用超前注漿+管棚+U 型鋼支護(hù)方式對破碎帶高冒頂板進(jìn)行支護(hù)，不僅確保了巷道掘進(jìn)安全，而且避免頂板出現(xiàn)二次冒落問題，現(xiàn)場取得較好的圍巖控制效果。

1 10101 回風(fēng)巷工程概況

山西某礦10101 為10 號煤層首采工作面，采面設(shè)計(jì)走向、傾向長分別為265 m、1 380 m，采用綜采開采工藝，設(shè)計(jì)推進(jìn)速度為4.0 m/d。10 號煤層厚度均值3.45 m、傾角6°，中間夾雜2～3 層泥巖矸石，夾矸總厚度在0.6 m 以內(nèi)。10101 回風(fēng)巷沿著10 號煤層底板掘進(jìn)，矩形斷面，巷道掘進(jìn)過程中會揭露DF21 斷層（H=5～7 m，105°∠38°），前期探測發(fā)現(xiàn)斷層中部存在有寬度0.9～1.5 m 破碎帶，破碎帶內(nèi)煤巖體松散，探測鉆孔成孔困難，斷層破碎帶為巷道掘進(jìn)期間的高冒區(qū)，具體位置見圖1 所示。10101 回風(fēng)巷掘進(jìn)至DF21 斷層影響區(qū)時(shí)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，為此，提出采用超前注漿+ 管棚+U 型鋼控制圍巖。

圖1 采面回風(fēng)巷高冒段位置示意圖

2 斷層破碎帶冒落段支護(hù)技術(shù)

現(xiàn)階段對于巷道頂板冒落處理技術(shù)主要包括錨桿（索）支護(hù)、鋼管混凝土支架、注漿等方式，文中就依據(jù)10101 回風(fēng)巷現(xiàn)場實(shí)際情況，采用注漿方式充填冒落區(qū)，提高頂板破碎帶巖體承載能力以及穩(wěn)定性，并采用U 型鋼+管棚對圍巖進(jìn)行支護(hù)。

2.1 冒落段注漿加固

2.1.1 注漿材料

由于DF21 斷層破碎帶范圍內(nèi)巖體破碎、穩(wěn)定性差、冒落高度大，為確保巷道掘進(jìn)以及后續(xù)使用安全，提出采用高水材料對破碎巖體進(jìn)行加固。具體選用的高水材料強(qiáng)度變化曲線見圖2 所示。從圖2 中看出，高水材料抗壓強(qiáng)度隨著水灰質(zhì)量比增加而降低，水灰質(zhì)量比越小則注漿材料抗壓強(qiáng)度越大；反之水灰質(zhì)量比越大注漿材料抗壓強(qiáng)度越小。具體水灰質(zhì)量比可依據(jù)現(xiàn)場條件確定，通過調(diào)整水灰質(zhì)量比達(dá)到既滿足注漿強(qiáng)度又降低注漿材料消耗量目的。最終確定的高水材料水灰質(zhì)量比為1.5∶1。

圖2 高水材料強(qiáng)度變化曲線

2.1.2 注漿工藝

井下注漿工藝主要可分為雙液、單液注漿兩種方式，不同注漿工藝有其自身特點(diǎn)及其適用范圍。根據(jù)10101 回風(fēng)巷掘進(jìn)至冒落區(qū)現(xiàn)場條件，提出采用雙液注漿方式。注漿漿液在注漿壓力作用下需要在冒落帶內(nèi)克服裂隙阻力，同時(shí)應(yīng)避免巖體產(chǎn)生新的裂隙，為此將注漿壓力設(shè)計(jì)為2～3 MPa。

2.1.3 注漿方案

1）巷道冒落段外側(cè)砌筑止?jié){墻進(jìn)行注漿。在冒落帶外側(cè)1～1.5 m 范圍砌筑止?jié){墻，待止?jié){墻施工完畢后進(jìn)行注漿，實(shí)現(xiàn)止?jié){墻與冒落帶間巖體孔隙。對巖體進(jìn)行充填不僅提高巖體強(qiáng)度而且可避免巷道頂板巖體出現(xiàn)冒落；同時(shí)可降低后續(xù)高冒區(qū)充填時(shí)跑漿量。

2）巷道冒落段里側(cè)砌筑止?jié){墻進(jìn)行注漿。在距離外側(cè)止?jié){墻3 m 位置施工繞道（寬2.5 m、高2.0 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)），繞道掘進(jìn)至冒落帶里側(cè)，在繞道內(nèi)施工注漿墻并通過注漿管向冒落帶內(nèi)進(jìn)行注漿。通過冒落帶外段以及里段可提高冒落帶巖體穩(wěn)定性以及強(qiáng)度。具體現(xiàn)場注漿布置見圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場注漿布置示意圖

2.2 支護(hù)技術(shù)

在冒落帶采用里段、外段注漿后，在超前管棚掩護(hù)下使用U29 型鋼對冒頂區(qū)域進(jìn)行支護(hù)。

2.2.1 超前管棚支護(hù)

待對掘進(jìn)前方冒落帶進(jìn)行注漿加固完成后，從止?jié){墻位置處采用U29 型鋼支架對圍巖進(jìn)行支護(hù)。在巷道掘進(jìn)迎頭施工深度4 000 mm、孔徑32 mm、仰角15°鉆孔，鉆孔施工完成后向孔內(nèi)鍥進(jìn)長4000mm、直徑25 mm 圓鋼管，鋼管布置間隔為300～400 mm。超前管棚施工完成后采用螺栓將鋼管與U29 型鋼架連接。

2.2.2 U 型鋼架支護(hù)

在巷道掘進(jìn)過程中首先開挖兩幫幫角位置棚腿窩，將新安裝的U 型鋼棚腿采用拉桿緊緊固定到原支護(hù)邊緣；后采用手鎬掏頂棚并架設(shè)棚頂，使用圓木與頂板背實(shí)；最后開挖掘進(jìn)巷道中部矸石，在巷道開挖時(shí)應(yīng)防止前方矸石冒落，避免冒頂事故發(fā)生。具體支護(hù)斷面見圖4 所示。

圖4 管棚及U 型鋼布置示意圖

2.3 冒落段圍巖支護(hù)效果

在巷道掘進(jìn)通過頂板冒落段后，采用鉆孔窺視對巷道圍巖支護(hù)加固效果以及頂板離層情況進(jìn)行窺視。通過窺視發(fā)現(xiàn)高水材料在注漿加固區(qū)域裂隙內(nèi)充填良好，破碎巖體完整性得以明顯提升。后續(xù)監(jiān)測巷道頂板下沉量控制在26 mm 以內(nèi)，頂板金屬網(wǎng)未出現(xiàn)網(wǎng)兜等頂板冒落征兆，現(xiàn)場圍巖控制效果較好。

3 結(jié)語

10101 回風(fēng)巷掘進(jìn)至DF21 斷層冒落帶時(shí)面臨頂板冒落問題，為此提出采用超前注漿、管棚以及U型鋼方式對圍巖進(jìn)行支護(hù)。超前注漿選擇采用高水材料、水灰質(zhì)量比設(shè)計(jì)1.5∶1、注漿壓力2～3 MPa，并依據(jù)現(xiàn)場條件對超前注漿方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過超前注漿可提升冒落帶內(nèi)破碎巖體穩(wěn)定性以及承載能力，后采用超前管棚、U 型鋼對頂板巖層進(jìn)行控制，避免巖體冒落。現(xiàn)場應(yīng)用后，巷道掘進(jìn)過斷層破碎帶高冒區(qū)時(shí)頂板巖層始終保持穩(wěn)定，監(jiān)測到頂板最大下沉量為26 mm 以內(nèi)。現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，文中所提超前注漿+超前管棚+U 型鋼方式可實(shí)現(xiàn)破碎帶高冒落段圍巖控制，可滿足巷道掘進(jìn)以及圍巖控制需要。