煤巷過斷層破碎區聯合支護技術應用

宋元發

（山西焦煤山煤國際長春興煤業有限公司，山西 大同 037101）

1 概述

山西焦煤山煤國際長春興煤業有限公司22303運輸順槽位于井田北盤區，西部為北延盤區大巷，南部為301 采空區，東部為礦井西部礦界，北部為設計北盤區，西南部為未開采區域。22303 運輸順槽布置于石炭系太原組中下部22#煤層中，22#煤層結構復雜，厚度較穩定，22#層上距最近16-2#煤層約99.15 m，下距最近25-1#煤層約12.7 m，煤層厚度為9.5 m，含3～4 層夾矸。煤層大致走向東西，傾向北，傾角較小，平均-2°。22303 運輸順槽從北盤區輔助運輸巷沿22#煤層底板掘進，規格為寬×高=5.2 m×4.2 m，正巷規格為寬×高=4.5 m×3.5 m。巷道采用一掘一支掘進工藝，采用EBZ260 型掘進機施工，頂板采用錨桿、錨索、鋼帶以及金屬網聯合支護，巷道已掘進480 m。

2 巷道地質情況及問題分析

2.1 巷道地質情況

22#煤層地質構造單一，主要以中小型斷層為主，斷層落差為0.7～2.8 m 范圍內。《長春興煤礦22#煤層303 工作面地質報告》顯示，22303 運輸順槽掘進區域共計揭露6 條正斷層和2 條逆斷層，其中303 運輸順槽前期掘進過程中已揭露5 條正斷層，平均落差為1.2 m。根據資料顯示，巷道掘進至487 m 將揭露F6 正斷層，落差為2.4 m，傾角為52°。巷道掘進至475 m 處開始鉆探，鉆探結果顯示，在巷道484 m 處位于左側預先揭露斷層，斷層侵入后斷層上盤煤體下壓，斷層對巷道掘進影響長度為52 m。

2.2 巷道掘進現狀

由于F6 斷層上盤煤體下移，若巷道過斷層期間繼續以水平角度掘進，底板遺煤量大，造成后期工作面回采時采空區內含大量浮煤，不利于采空區安全管理。因此，巷道過斷層期間決定采用俯斜掘進工藝，巷道從475 m 處開始以7°俯角下山掘進，巷道掘進至495 m 處時揭露斷層上盤煤體底板，然后繼續近水平掘進。

但當巷道下山掘進至478 m 處時，俯斜處頂板出現失穩現象，頂板局部冒漏，頂板處形成“高冒臺階”區，如圖1 所示，冒漏高度達1.6 m，隨著巷道繼續掘進，冒漏區范圍逐漸擴大。

圖1 303 運輸順槽過斷層期間俯斜回采剖面示意圖

2.3 問題分析

根據現場觀察分析發現，巷道俯斜掘進期間出現頂板“高冒臺階”區原因主要有以下幾方面：

（1）圍巖失穩。22303 運輸順槽掘進的22#煤層平均傾角為2°，巷道在俯斜掘進時下山角為7°，由于俯斜掘進角度大，在掘進期間留頂煤時,煤體失穩，出現破碎現象。

（2）構造應力影響。巷道在過斷層前，斷層應力與原巖應力處于平衡狀態，當巷道掘進揭露斷層時，巷道開挖空間形成應力釋放區，應力釋放過程中對圍巖產生擠壓、剪切作用，造成圍巖出現裂隙帶，破壞了圍巖力學穩定結構。

（3）支護不合理。原頂板主要采用錨桿（索）進行聯合支護，圍巖相對穩定時，桿體錨固端能形成支護組合梁（拱）結構，但是在斷層區圍巖破碎嚴重時，采用單一錨桿（索）支護時錨固效果差，支護失效率高。

3 斷層區聯合支護技術

3.1 注漿加固

22303 運輸順槽俯斜掘進期間失穩破碎，導致俯斜段頂板穩定性差，決定對該區域頂板提前采取注漿加固與管棚注漿聯合支護[1-5]。

3.1.1 注漿孔布置

（1）注漿孔布置。注漿主要是對破碎頂板煤體進行粘接，實現二次重組。注漿孔施工在巷道迎頭煤壁上，鉆孔深度為5.0 m，直徑為45 mm，鉆孔布置仰角為45°，鉆孔終端位于仰斜頂板2.0～2.5 m 處，每排布置3 個注漿孔，孔間距為1.5 m，鉆孔距頂板間距為1.0 m，如圖2。

（2）管棚注漿孔布置。管棚注漿目的是在仰斜段頂板穩固一排超前支護體，通過注漿方式將支護體與頂板煤體鑲嵌為一體，達到超前支護的目的。管棚注漿孔布置在仰斜段設計頂板處，每排布置5個孔，孔深為3.5 m，直徑為30 mm，孔間距為1.0 m。

3.1.2 注漿設備及材料

（1）注漿管棚。注漿管棚體采用長度3.5 m、直徑28 mm 中空鋼管，鋼管一端為實心削尖結構，削尖體長度為0.5 m；管體中孔直徑為10 mm，在管體外周圍均勻布置三排注漿花孔，孔直徑為5 mm。

（2）注漿泵。采用3ZBQ-5/18 氣動高壓注漿泵進行注漿施工，主要由泵體、注漿桶、混合閥、注漿槍、注漿軟管、閥門等部分組成。注漿泵注漿壓力為0～18 MPa，注漿排量為0～25 L/min。

（3）注漿材料。注漿材料采用固瑞特系列化學注漿加固材料，該材料屬于雙組分注漿加固材料，漿液固結體單軸抗壓強度為35～55 MPa，黏度為45～107 MPa·s。

3.1.3 注漿施工

（1）先進行注漿加固施工。注漿工序為：安裝注漿軟管→安裝止漿塞→連接注漿泵→開啟注漿泵。注漿壓力控制在3～5 MPa，每個注漿孔穩壓注漿時間為10 min。

（2）再進行管棚注漿施工。先在頂板施工一排超前管棚支護鉆孔，然后對鉆孔內安裝超前管棚支護體，最后安裝注漿軟管、連接注漿泵進行注漿施工。管棚注漿時注漿壓力控制在1.5～3.0 MPa 范圍內。

3.2 梯形棚支護

由于22303 運輸順槽為全煤巷道，根據現場觀察發現，在集中應力作用下巷道兩幫煤柱同樣出現失穩現象，主要表現為兩幫垮落、兩幫收斂以及肩角煤柱破碎等。兩幫煤柱一旦出現失穩后無法對頂板提供足夠的支撐力，導致頂板出現垮落、破碎，所以決定在俯斜段巷道支設密集梯形鋼棚。

（1）目前鋼棚支護主要包括矩形鋼棚、梯形鋼棚、拱形鋼棚等。拱形鋼棚主要用于拱形巷道內；矩形鋼棚在大應力圍巖中鋼棚很容易變形，降低支護強度；梯形鋼棚可根據圍巖應力大小適當調整棚腿與頂梁之間的迎山角，從而降低鋼棚變形，梯形鋼棚具有支護強度高、實用性強、變形小等優點。所以22303 運輸順槽俯斜段決定采用梯形鋼棚支護。

（2）22303 運輸順槽采用的梯形棚主要由U29型棚腿、頂梁、底座、連接桿、抱箍等部分組成，鋼棚支護順序為：安裝底座→棚腿→頂梁→拉桿→剎頂。鋼棚安裝間距為1.0 m，棚腿安裝迎山角為75°。如圖2。

圖2 303 運輸順槽斷層區頂板聯合支護示意圖（mm）

4 結論

（1）對斷層區俯斜段巷道頂板采取注漿與管棚聯合注漿加固，提高了斷層區域圍巖膠結強度和頂板煤體承載能力，實現了超前支護的目的。

（2）梯形棚支護能夠對斷層應力區圍巖進行有效支護，解決了傳統矩形鋼棚支護時適用性差、易變形、支護強度低等技術難題，控制了頂板應力向兩幫煤柱傳遞導致煤柱垮落現象。

（3）22303 運輸順槽斷層俯斜段頂板采取聯合支護技術后，頂板最大下沉量為0.17 m，巷道斷面收斂量不足巷道總斷面積的5%，達到了預期支護效果。