掘進巷道過斷層聯(lián)合支護方案研究

李 科

（潞安化工集團五陽煤礦，山西 長治 046200）

1 潞安化工集團A 礦2103 運輸巷概況

潞安化工集團A 礦2103 運輸巷所處區(qū)域為礦井301 采區(qū)南部，2103 運輸巷長度632 m，斷面呈矩形，斷面長度4.5 m、寬度3.5 m。巷道掘進方向同12-2 號煤層底板走向一致。

12-2 號煤層具有結構簡單、可開采量較大等特點，巷道的直接頂由細砂巖和砂質頁巖構成，厚度為5.9 m，基本頂由粗砂巖構成，厚度為9.7 m，不存在偽頂[1]。

當前2103 運輸巷已掘進155 m，由相關地質資料可知，巷道160 m 處即將出現(xiàn)F3 逆斷層，斷層落差1.4 m，斷層傾角45°。由于斷層存在，導致巷道在掘進超過150 m 后，頂板開始出現(xiàn)離層、冒落等現(xiàn)象，尤其是掘進超過155 m 后，頂板整體性較差，破碎情況十分嚴重。現(xiàn)有的支護方式難以滿足頂板的支護需求，嚴重阻礙巷道掘進工作的安全高效進行。

2 頂板原支護方案分析

2.1 原支護方案

2103 運輸巷現(xiàn)有的支護方案為錨桿+錨索+鋼帶的聯(lián)合支護方案。選用的錨桿直徑為20 mm、長度為2 000 mm，選用的錨索直徑為17.8 mm、長度為4 500 mm，選用的鋼帶長度為4 200 mm、寬度為25 mm；頂板每排錨桿的數(shù)量為5 根，錨索的數(shù)量為3根，相鄰錨桿的間距為1 000 mm、排距為1 000 mm，相鄰錨索的間距為1 800 mm，排距為3 000 mm。錨桿在圍巖中的錨固長度為300 mm、外露長度為10～30 mm，錨索在圍巖中的錨固長度為1 200 mm、外露長度為150～250 mm。錨桿布置完畢后每排錨桿添加1 條鋼帶完成預緊過程[2]。

2.2 問題分析

現(xiàn)有的支護方案難以保證斷層區(qū)域的支護效果，降低了巷道的掘進效率以及施工安全性，主要原因如下：

1）受斷層構造應力影響。F3 斷層區(qū)域內，巷道頂板煤巖層破壞嚴重導致應力出現(xiàn)卸壓空間，造成巷道掘進過程中應力集中現(xiàn)象明顯，兩幫煤巖體出現(xiàn)垂直剪切應力以及水平張拉應力，造成巷道頂板產生破碎、離層和冒頂?shù)惹闆r。

2）支護強度不足。頂板選區(qū)的錨桿長度為2000mm，已知巷道頂板煤層厚度為6.5 m，頂板上方仍有2.0 m 厚的煤層，并且錨桿外露長度在10～30 mm 之間。所以，錨桿難以打設至煤層的直接頂上，不僅顯著降低了支護效果，而且是造成離層現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，由于錨固區(qū)域較淺，頂板的變形僅能靠布置鋼帶進行控制，很容易出現(xiàn)鋼帶斷裂導致支護失效的情況產生。

3 過斷層頂板綜合支護技術方案

為提升2103 運輸巷在斷層掘進期間頂板的穩(wěn)定性，提高巷道的掘進效率，本文提出了一種撞楔超前支護+絲杠柱空頂支護+注漿錨桿支護的聯(lián)合支護技術方案。

3.1 撞楔超前支護方案

撞楔超前支護方案所需部件包括鋼釬、夾板、錨固劑以及固定錨桿。選取的鋼釬直徑為30 mm，長度為3 000 mm；夾板采用高強度鋼板，長度為800 mm，寬度為300 mm，鋼板兩端分別加工出1 個圓孔，圓孔直徑為30 mm；選取的固定錨桿直徑為20 mm，長度為1 200 mm[3]。

在2103 運輸巷掘進至155 m 附近時，提前在巷道頂板指定位置垂直于煤壁進行鉆孔，鉆孔直徑為32 mm，相鄰孔的間距為300 m，鉆孔完畢后放入鋼釬，鋼釬外露長度為200 mm，布置完畢后先使用錨固劑進行加固，加固后再使用夾板加緊，通過夾板兩端的圓孔進行固定錨桿打設，每個夾板負責3 根鋼釬，保證鋼釬和夾板的固定效果，在斷層掘進期間重復該過程。

3.2 絲杠柱空頂支護

巷道掘進過程中，端頭迎頭處常常會產生頂板冒頂現(xiàn)象，主要原因是斷層構造導致頂板空頂?shù)漠a生，進而導致冒頂現(xiàn)象的出現(xiàn)，降低了巷道的掘進效率。針對這一問題使用絲杠柱實現(xiàn)頂板空頂區(qū)域的臨時支護，避免冒落現(xiàn)象的出現(xiàn)。絲杠柱空頂支護所需構件包括：鋼梁、吊環(huán)和絲杠柱。鋼梁選用10 號槽鋼，包括橫梁以及縱梁，長度依次是4.2 m、4.0 m。其中橫梁上需要加工除3 個焊制絲扣孔，保證絲杠柱的安裝。

巷道掘進過程中，一旦迎頭出現(xiàn)超過1.5 m 的空頂距，及時對吊環(huán)進行安裝，吊環(huán)安裝在巷道最前方兩排錨桿的外露部分，每排吊環(huán)的數(shù)量為3 個，共計2 排；安裝完畢后穿過每排吊環(huán)安裝一根橫梁，在橫梁基礎上安裝縱梁，橫梁縱梁呈垂直關系，縱梁數(shù)量為3 根，相鄰縱梁的間距為2.0 m，安裝完畢后提升絲杠柱保證縱梁和頂板間的貼合，完成空頂區(qū)域的支護。絲杠柱空頂支護結構如圖1 所示。

圖1 絲杠柱空頂支護結構（單位：mm）

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周圍的空隙進行充填，不僅提升了圍巖的整體性，實現(xiàn)了錨桿的加固，也減少了掘進作業(yè)導致的頂板損壞現(xiàn)象。注漿錨桿支護對于錨桿整體均能起到錨固作用。所需的構件包括注漿錨桿、JW 型鋼帶、注漿軟管、注漿泵和注漿材料。選取的注漿錨桿長度為3 500 mm，內部中空直徑為14 mm，錨桿表面對稱分布著兩排圓孔，保證注漿的順利流出，圓孔直徑為10 mm；JW 型鋼帶長度為0.5 m，寬度為0.28 m；注漿軟管直徑為8 mm；注漿材料選用聚氨酯。

斷層掘進過程中，在巷道頂板垂直于頂板進行鉆孔，鉆孔直徑為30 mm、孔深為3.5 m，相鄰孔的間距為1.2 m、排距為1.2 m，每排鉆孔數(shù)量為4 個。鉆孔完畢后放入注漿，將注漿軟管的兩端分別連接注漿錨桿和注漿泵，連接完畢后使用膨脹水泥進行封孔處理，注漿過程中壓力保持在1.0 MPa，煤層產生滲漿現(xiàn)象后停止注漿。注漿錨桿支護剖面結構如圖2 所示。

圖2 注漿錨桿支護剖面圖（單位：mm）

4 實施效果分析

為了驗證優(yōu)化后的支護方案實際效果，在巷道頂板布置離層監(jiān)測儀，監(jiān)測周期30 d，在巷道斷層掘進期間進行實時監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結果可知，采用優(yōu)化后的聯(lián)合支護方案后，0～6 d 期間頂板變形量逐漸增加，最大位移量為118 mm；6～16 d 期間頂板應力變化較小，位移量變化較小；16 d 之后頂板應力趨于穩(wěn)定，位移量幾乎不變，離層冒落現(xiàn)象得到了很好的控制。

5 結語

潞安化工集團A 礦2103 運輸巷，在現(xiàn)有支護方案下過F3 斷層時存在頂板冒落等現(xiàn)象，降低了巷道的掘進效率，掘進速度僅為1.7 m/d，并且施工安全難以保障。采用本文提出的聯(lián)合支護方案后，頂板位移量控制在120 mm 以內，冒落、破碎現(xiàn)象也顯著減少，掘進速度提升至4.5 m/d，實現(xiàn)了巷道過斷層期間的支護要求，對于巷道斷層的支護研究有著借鑒意義。