井下掘进巷道过断层支护技术探究

贺喜泽

（山西煤炭运销集团吉县盛平煤业有限公司， 山西　临汾　041000）

引言

在煤矿井下巷道掘进过程中，断层一直是最为常见的几种地质构造形式，依据有关生产调查统计，因过断层而引发的各类事故一直处于矿山事故的前列。特别是近年来随着我国能源需求的不断增大和浅层煤炭资源的日益殆尽，煤矿开采深度持续增加，开采地质条件复杂程度日益提升，井下巷道掘进中遭遇断层的几率也显著增高，为井下掘进作业的安全开展造成一定威胁。基于此，如何在掘进巷道过断层时开展有效的支护便成为保障作业安全的关键要点，同时也是提升掘进作业效率，改善采掘衔接矛盾，实现矿井经济效益提升的强效推力。

1　工程概述

某矿主采煤层为山西组4号煤，煤层均厚4.1 m，现井下开掘三采区回风巷（5307巷），巷道长度设计1 500 m，高宽分别为5.2 m和4.5 m，为半煤岩巷道。巷道上部存在伪顶，主要均厚为2.1 m的炭质泥岩；巷道直接顶与基本顶分别为均厚4.2 m的砂纸泥岩和均厚7.9 m的粗粒砂岩。巷道掘进作业选用综合机械法进行施工，根据以往地质勘测可知，在巷道掘进至700 m处时会遭遇F12正断层，断层落差2.5 m，倾角62°。当巷道掘进至660 m处时，顶板来压明显增加，局部伪顶无法留设，顶板5.8～6.4 m范围内存在离层，局部产生冒顶。在采用传统支护技术进行永久支护后，受顶板压力影响出现锚杆失效、钢带崩断等现象，表明传统支护技术无法满足其实际需求，需探索全新且有效的支护工艺[1]。

2　传统支护工艺不足分析

目前，井下三采区回风巷道过断层所选用支护工艺为“锚杆+W型钢+锚索”联合支护技术。所用钢带规格为长宽4 200 mm×250 mm，单根钢带配设锚栓五个，布设排间距为1 000 mm；顶板支护锚杆选用长2 500 mm，直径22 mm的螺纹钢锚杆，布设间隔1 000 mm，单个锚杆布设预紧力不小于200 N·m，垂直顶板布设；顶板煤间隔3 000 mm布设锚索一排，选用长4 500 mm的钢绞线摸索，布设间隔1 800 mm，锚索托板选用300 mm×300 mm的高强度钢板制成[2]。

回风巷道上方伪顶均厚为2.1 m，所用支护锚杆长度2.5 m，导致锚杆锚固端位于直接顶同伪顶交接区域，当通过断层区域时，由于顶板压力增加，使得常规锚杆无法对伪顶进行有效维护，出现伪顶的大面积垮落；巷道所过F12断层倾角超过60°，掘进通过时两帮在覆岩压力影响下会出现严重片帮，尤其是顶板同两帮相交区域的三角煤柱留设十分困难，这使得通过采用4 200 mm钢带无法实现对巷道的有效维护；原支护所采用锚索为长4 500 mm的钢绞线锚索，其锚固端位于直接顶，但由于直接顶存在局部离层的情况，因此使用锚索无法实现对支护的有效加强。鉴于上述不足，有必要在巷道通过断层时预先对顶板进行加强，以确保伪顶的完整和稳定[3]。

3　巷道过断层支护综合技术

结合矿井实际地质条件，改变三采区回风巷道原支护方案为“撞楔超前支护+超前注浆+密集工字钢棚临时加强支护+永久支护”的联合支护工艺，通过在距离断层20 m处开始布设钢针和注浆的方法，构建人工假顶，提升伪顶稳定性的同时，最大化保障巷道过断层时的安全性。

3.1　撞楔超前支护与超前注浆（见下页图1）

1）为有效规避巷道通过断层时伪顶不会受覆岩压力影响产生大面积垮落，采取超前撞楔支护工艺，在作业面顶板布设一排钢针，钢针同作业面相互垂直，所用钢针长3 000 mm，布设间隔为400 mm，作业面钢针布设总数为10排。

2）撞楔支护完成后，于顶板下方1 000 mm处布设注浆钻孔，钻孔深5 000 mm，单个断面共布设4个钻孔，各注浆孔同巷道两帮夹角控制在6°左右，实现对3 m范围内三角煤柱的有效调控。

3）注浆钻孔布设完成后，通过注浆泵注入马丽散浆液，注浆作业时注浆压力应稳定在5 MPa左右。此外，注浆中若作业面煤体发生浆液的渗透，则应马上中止注浆，并对注浆孔予以封堵。

4）待所注入浆液全部凝固后，再重新开张掘进作业。在掘进时，钢针茬进幅度不超过1 000 mm，每向前掘进作业2 m，便进行一次钢针补打作业，相邻两排钢针采取错位重叠的方法进行布设。

图1　撞楔超前支护与超前注浆作业示意图（单位：mm）

3.2　过断层永久支护

1）巷道顶板锚索、锚杆与钢带布设方式维持原样，但所使用钢带改为长5 200 mm的JW型钢带（7眼，眼间隔800 mm），钢带两端同巷帮齐平并在其两端分别穿插长2 000 mm螺纹钢锚杆，锚杆固定于两帮上。此外，钢带中间5眼均穿插长3 500 mm超长锚杆，同巷道垂直布设。

2）为更好地提升顶板稳定性，所用锚索长度增加至8 300 mm，所用托板选用长度600 mm工字钢梁制成[4-5]。

3.3　过断层临时加强支护

1）超前撞楔支护与永久支护完成后，在巷道过断层区域布设工字钢棚进行临时加强支护，钢棚由棚腿、棚梁与水泥背板三大组件构成，其布设示意图如图2所示。

2）钢棚布设前先对相关作业区域进行起底操作，起底宽度为300 mm，深度为200 mm。起底后，对相应区域进行浇筑并预埋棚腿装设底座。

3）起底浇筑凝固后，对照预埋棚腿装设底座安装棚腿，并布置棚梁，棚梁同巷道相互垂直。同时，棚梁与棚腿选用U型卡扣相互连接[6]。

4）每间隔500 mm布设钢棚一架，相邻两个钢棚间通过四根连接杆实现彼此的相连。此外，每完成相邻两架钢棚的布置后在其上部铺设长度为800 mm的水泥背板[7]。

5）工字钢棚的布设应在距离断层5 m处开始，在通过断层5 m后停止钢棚布设，共计布设钢棚数量为25架。布设完成后，配置专人定期对钢棚各构成组件及上部铺设的水泥背板开展检查，若发现存在变形或断裂的情况，应立即予以更替[8]。

图2　工字钢棚布设示意图（单位：m）

4　结语

某矿井三采区回风巷道（5307巷道）在过断层支护中选用“撞楔超前支护+超前注浆+密集工字钢棚临时加强支护+永久支护”的联合支护工艺替代原有的传统支护方法，提升了巷道直接顶与伪顶的完整性与稳定性，实现了过断层巷道支护安全的显著增强，从根源上有效地实现了巷道过断层时局部冒顶、顶板沉降、支护失灵等难题的解决。同时，为井下掘进作业高效开展和日趋紧张的采掘矛盾，矿井综合效益的增长提供了坚实的助推力。

[1]李建军.大断面巷道机械化掘进过断层群技术[J].煤炭工程，2014（6）：43-45.

[2]王九红.掘进巷道过断层破碎带支护方式探析[J].河南科技，2014（5）：25.

[3]申家志.巷道掘进过断层方法及技术措施研究[J].内蒙古煤炭经济，2014（9）：129-130.

[4]卢二虎，马志刚.大断面巷道过断层破碎带的掘进与支护方法[J].煤矿支护，2005（3）：30-31；23.

[5]张景公.过断层破碎带条件下岩巷掘进超前支护技术[J].煤炭技术，2012（6）：90-91.

[6]李井生.施工巷道过断层破碎带支护方法[J].煤炭技术，2011（3）：95-96.

[7]闫成柱.浅析掘进巷道安全过断层支护工艺实践[J].煤，2017（2）：51-52.

[8]曹健.杨庄矿过断层巷道支护技术[J].煤炭技术，2016（10）：73-74.