煤巷掘进断层带顶板变形控制措施效果分析

薛少峰

（山西汾西正令煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）

1 概述

山西汾西正令煤业有限责任公司位于孝义市西南，矿井设计生产能力为0.9 Mt/a，服务年限为25.2 a，井田内分三个采区，目前回采煤层为2#煤层一采区。

2110巷位于一采区北翼，服务于2110首采工作面，巷道以东为实煤区、以南为采区三条大巷（一采区回风巷、一采区轨道巷、一采区运输巷），巷道以西为实煤区。2110巷设计长度为为1750 m，沿2#煤层底板平行掘进，2110巷为矩形断面，断面规格为宽×高=4.0 m×2.6 m，掘进工作面煤层平均厚度为1.52 m，半煤岩巷掘进。2110巷直接顶炭质泥岩为主，平均厚度为4.7 m，该岩石层发育不稳定，易破碎；基本顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为5.4 m，在直接顶与基本顶交界处含一层1#煤层（不可采），平均厚度为0.63 m，截至目前2110巷已掘进完成。

根据正令煤矿地测科提供资料显示，2110巷在掘进至1740 m处揭露一条F10-c2正断层，断层落差为2.3 m，倾角为33°，巷道在掘进至断层带附近时受构造应力影响，巷道顶板出现局部破碎现象。随着时间推移，F10-c2断层带附近顶板压力越来越大，2110巷出现顶板下沉、煤壁片帮等巷道变形现象，巷道最大移近量达0.45 m，严重威胁着工作面回采安全。对此正令煤矿通过技术研究，分析了断层带处顶板支护设计及存在的问题，并提出了合理有效的巷道变形控制措施。

2 F10-c2断层带处顶板支护设计及问题分析

2.1 F10-c2断层带处巷道原支护设计

（1）顶板支护：巷道顶板采用锚杆、锚索、金属网联合支护，顶锚杆采用的是Φ20 mm×2200 mm螺纹钢锚杆，每排施工5根，间排距为0.9 m×1.0 m；顶锚索采用的是Φ17.8 mm×6000 mm预应力钢绞线，每排施工2根，间排距为：2.0 m×3.0 m。

（2）护帮支护：巷道两帮采用单锚杆支护，共计施工3排护帮，护帮间排距为1.0 m×1.0 m，第一排护帮距顶板0.3 m，护帮锚杆外露端采用规格为长×宽×厚=0.45 m×0.25 m×0.04 m短钢带进行预紧。

（3）顶板及护帮每根锚杆配套使用一支MSZ23/60型锚固剂，每根锚索配套使用一支MSZ23/60型及一支MSK23/35型锚固剂；所有锚杆外露端长度为10～30 mm，锚索外露长度为150～250 mm。

2.2 原支护设计在断层应力区中存在问题

（1）通过对2110巷断层破碎区顶板施工离层观测孔发现，巷道顶板破碎区域集中在顶板往上1.8 m范围内，岩石成破碎状态，胶结稳定性差，而原支护设计中顶板采用的锚杆长度为2.0 m，锚杆锚固端处于破碎岩层内，锚杆锚固质量差，随着顶板岩层不断破碎，锚杆出现锚固失效现象。

（2）原支护设计中顶板锚索长度为6.0 m，锚索锚固长度为0.95 m，锚索锚固端主要位于基本顶与直接顶之间，且中间夹杂一层薄煤层，受外力影响薄煤层处易出现离层现象，从而造成锚固质量降低，很容易出现锚固失效现象。

（3）锚杆、锚索主要通过对整体岩块进行悬吊作用，从而达到支护目的，而2110巷受F10-c2断层影响，顶板完成成破碎状态，严重破坏了顶板岩层整体性，锚杆（索）支护无法实现整体岩层悬吊维护作用。

（4）由于F10-c2断层距2110切巷距离仅为10 m，切巷宽度较大、暴露时间长，在切巷前方15 m范围内产生超前支撑应力集中现象，断层处顶板压力加大，加快了巷道顶板变形、破碎速度，仅采用单一的锚杆、锚索支护不能满足支护要求。

3 断层处巷道顶板变形控制措施

为了进一步提高断层带处顶板稳定性，正令煤矿通过技术研究，决定对F10-c2断层带采取“注浆+人工假顶+钢棚”联合支护措施。

3.1 注浆施工

（1）当巷道掘进至断层破碎带区域时，在工作面距顶板1.0 m施工3个注浆钻孔，钻孔间距为1.5 m，钻孔深度为5.0 m，钻孔与工作面成20°夹角布置，两侧钻孔与巷帮成30°夹角布置，见图1。

（2）钻孔施工完后采用高压注浆泵向其注射马丽散混合液，待工作面及顶板破碎岩体出现浆液渗透现象时，停止注浆并及时封孔。

（3）注浆钻孔封孔2 h后方可继续掘进，在掘进期间发现仔细观察岩体内马丽散浆液渗透情况，发现岩体内浆液逐渐减少或完全消失后应施工第二排注浆钻孔并注浆，依次类推直至工作面过断层破碎带。

3.2 人工假顶施工

受构造应力及采动压力影响，断层破碎带顶板出现局部冒顶现象，冒顶最大高度为0.5 m，为防止冒顶区域不断扩大，决定施工人工假顶。

（1）首先在断层破碎区域冒顶处施工两根长度为4.5 m，直径为17.8 mm锚索，锚索间距为1.8 m，锚索外露端长度控制在0.5 m左右。

（2）锚索施工后在其下方安装一根长度为2.5m工字钢梁，钢梁悬吊位置与巷道设计顶板位置齐平，锚索梁间距为1.5 m。

（3）当相邻两架锚索梁施工完后，在其上方铺设半圆木，半圆木直径为300 mm，长度为2.0 m，半圆木铺设后必须确保与半圆木与冒顶区域顶板接触严实。

3.3 架设工字钢棚

为进一步提高人工假顶稳定性，防止巷帮片帮，冒顶区域注浆且人工假顶施工完后，决定架设工字钢棚。

（1）2110巷架设工字钢棚成矩形断面，钢棚调节高度为2.0～2.8 m，钢棚宽度为4.0 m，钢棚主要由两节棚腿及一节顶梁组成。

（2）钢棚间距为1.0 m，每架钢棚棚腿采用一根固定锚杆与巷帮固定，钢棚架设完后在相邻三架钢棚之间铺设四根工字钢纵梁，纵梁长度为2.5 m，纵梁与工字钢棚之间采用卡缆进行固定。钢梁铺设完后逐渐抬高钢棚高度，确保铺设的纵梁与假顶面接触严实。

（3）所有钢棚架设完后，在钢棚与巷帮之间填塞水泥背板，水泥背板长度为1.2 m，宽度为0.3 m，水泥背板填塞后确保背板与巷帮接触严实，见图1。

图1 2110巷断层破碎区顶板支护

3.4 其它支护措施

为了提高永久支护质量，决定对2110巷原支护进行优化设计，顶板锚杆更换为长度为3.5 m，直径为21.6 mm预应力钢绞线，间排距为0.9 m×1.0 m；顶板锚索更换为长度为8.3 m，直径为21.6 mm预应力钢绞线，间排距为2.6 m×2.0 m；同时为了提高锚固质量，顶板锚索全部采用MSKC23/35型（超快型）及MSKC23/60型（快速型）锚固剂，每根锚索配套三支锚固剂，一支MSK C23/35型，两支MSKC23/60型。

4 应用效果分析

1）过F10-c2断层时采用注浆支护后通过钻孔观测发现，破碎煤体在马丽散混合液作用下胶结成块状结构，煤体坚固性系数f由原来的0.2提高至1.4，提高了破碎煤体胶结稳定性。

2）2110巷原支护优化后，顶板锚杆、锚索锚固端位于破碎顶板上覆稳定坚固岩层中，通过后期对5组锚杆（共计15根）拉拔力实验记录数据发现，当锚杆拉力计拉力达到100 kN时锚杆未出现失效现象，优化后锚杆、锚索起到预期支护效果。

3）2110巷过F10-c2断层后在断层处顶板安装一台顶板离层仪，并对其进行三个月数据观察记录发现，在第一个月内由于断层处顶板岩石层围岩应力未完全处于平衡状态，顶板发生较大塑性变形，主要位于顶板往上3.0 m范围内，变形量为250 mm，在第二个月时间内顶板基本处于稳定，变形量相对较小，变形量为50 mm，变形位置位于破碎岩体与假顶、钢棚支护之间；第三月时间内顶板岩体应力已达到应力平衡，同时断层带处支护措施已起到支护效果，顶板不再发生变形，见图2。

图2 F10-c2断层处顶板联合支护后顶板变形量与时间曲线关系

5 结语

山西汾西正令煤业有限责任公司通过技术研究，对2110巷断层破碎区域决定采取“注浆+人工假顶+钢棚”联合支护措施，实践证明，2110巷采取联合支护措施后，提高了破碎顶板稳定性，阻止了巷道变形、顶板破碎现象，保证了巷道安全顺利施工，取得了显著成效。