断层带巷道U型钢棚+超前注浆喷棚锚注联合支护技术应用

刘祥利 王凤江 李新欣

（山东省煤炭技术服务有限公司，山东 济南 250032）

星村煤矿三采区在进行巷道开拓过程中，揭露了F1断层，走向NEE、倾向NNE，倾角60～70°,落差240～660m，该断层落差较大，区内延展长度7740m，伴生断层较多，顶板破碎情况严重，无滴淋水情况。在掘进过程中，造成支护难度大，如何安全可靠地控制断层带围岩和支护结构稳定成为关键。

1 断层带巷道变形破坏原因分析

1.1 变形和破坏形式

根据断层带巷道支护形式，分析巷道变形和破坏情况，其形式主要有：巷道两帮受到挤压，造成架棚变形严重；底臌等现象严重。

1.2 破坏原因分析

（1）巷道围岩特性受到断层的影响，致使岩层的性能劣化、稳定性差，这是造成巷道变形的主要原因。

（2）断层引起的水平构造应力比较大，使巷道状态不稳定。根据研究发现，地质状况引起的构造应力要远远超过原岩应力，破碎岩体受到侧向高应力的作用极易产生剪切膨胀变形。

（3）底板一般不进行支护，容易引发巷道整体变形。底板在巷道支护体系中一般会弱化处理，这就造成底板的软弱岩体被挤压到巷道中，变形从弱支护处臌出，底鼓发展到一定程度就会引起巷道变形破坏。

（4）断层带的围岩多为泥岩，具有碎涨等特性，遇水易软化和泥化，会降低支护的承载力。

（5）在对顶板进行支护时，如果支护不理想未能使顶板岩体形成整体，就会造成顶板离层下沉。

2 支护设计的关键及解决方法

2.1 支护设计关键

通过分析断层带巷道变形破坏的特点和原因，本次支护设计的关键：

（1）控制顶板。通过对巷道围岩进行整体支护，形成新的组合拱结构，来控制顶板变形和离层产生的应力集中，以减轻两帮的应力集中，两帮位移就会减小，有助于巷道保持稳定性。

（2）卸压。断层带区域应力高达几十兆帕，支护产生的支护力难以与其抗衡，由于支护无法使巷道恢复到原有的高应力状态，这就需要释放围岩中的高应力。具体做法是在初次支护时使用柔性支护结构，允许围岩出现可控变形，然后在二次支护时，通过实施有效的支护手段，使巷道在低应力状态下巷道围岩和支护处于稳定状态。

（3）底板支护。巷道变形除受到地质条件和地应力影响外，底板弱支护引起的底鼓是造成巷道失稳的诱因。在巷道支护体系中，底板支护是薄弱环节，受到垂直应力、侧向应力和两帮应力的影响，底板易发生破坏，出现底鼓等现象，因此要实施有效支护或者加固措施。

2.2 解决方法

控制巷道围岩变形需采用积极主动的支护体系，需遵循以下原则：

（1）整体性原则。支护结构与围岩共同发挥作用，通过锚固作用产生较大的刚度和较强的抗变形能力。

（2）结构性原则。通过增强锚固强度和深度，对支护的关键部位应力状态进行改善，有利于支护结构和围岩共同作用的发挥，保证了整体的应力平衡。

（3）全面性原则。巷道顶板、底脚、两帮及底板形成全断面的支护结构，可以有效地控制底脚变形和底鼓，维持支护结构的稳定性。

（4）有效性原则。通过合理的支护手段使支护架构产生较大的刚度和较强的承载力，有效地抵抗巷道变形。

（5）时效性原则。加固后，应预防由于复杂条件的流变效应造成支护体进入屈服状态。

3 支护方案设计

在断层带巷道开挖后，顶板随着掘进随掘随冒，利用U型钢棚支架作为基础，采取超前注浆喷棚锚注联合支护方式。

施工顺序：超前预注浆→巷道成形→初喷混凝土→敷设网格200×200mm的金属网→架U型棚→打顶板锚杆眼并安装锚杆→打帮部锚杆眼并安装锚杆→打锚索眼并安装锚索→二次喷混凝土→铺设底板混凝土→打注浆锚杆眼并全断面注浆。

（1）超前预注浆。经过断层时，在巷道拱顶处对掘进工作面前方4m、巷道轮廓外2m范围内的岩体采用超前预注浆加固，使该区域的围岩整体稳定性得到提高。注浆锚杆参数：Φ28mm，L=3000mm，间 排 距1200×1200mm，仰 角 为25～40°，注浆锚杆还可以起到超前支护的作用，当注浆加固岩层有一定的承载力后再进行后续掘进。注浆孔布置示意图见图1。

图1 超前预注浆孔布置示意图

（2）初次支护。初次支护使用高强预应力锚杆和可伸缩的U型金属棚，棚距500mm。初喷混凝土厚度30mm。

（3）二次支护。架棚支护属于被动支护，初期能够有效地控制变形，当遇到其他地应力，架棚不能有效地适应围岩的承载力，一旦可缩量小于变形量，U型棚就会损坏，因此需要用锚杆和锚索进行补强。

锚杆选用Φ20mm，L=2400mm的高强应力锚杆，间排距800×800mm，垂直岩层面布置。锁腿锚杆选用Φ20mm，L=2400mm的高强锚杆，采用卡缆锚固在底板1m处的棚腿上，每个棚腿使用两根锚杆。锚索选用Φ17.8mm，L=6500mm进行支护，间排距2000×1500mm，具体参数见图2。喷注混凝土能够使棚、锚杆、锚索及锚网形成一个受力整体，有很好的抗冲击性。

（4）锚注加固。通过使用Φ28mm，L=3000mm的中空注浆锚杆对巷道顶部和帮部进行注浆，间排距1500×2000mm，两帮底角注浆锚杆与水平呈45°向下布置。底板注浆锚杆采用Φ22mm，L=2500mm的无缝钢管加工，注浆方向与水平呈45°向下布置2根，排距1800mm。

图2 锚杆锚索二次支护结构图

4 巷道变形观测

巷道监测点的顶底板移近和两帮移近量的观测数据见图3、图4。

图3 1#监测点顶底板位移、两帮位移与开挖天数的关系

对1#、2#监测点的顶底板、两帮位移与开挖时间数据曲线进行分析：

1#监测点顶板下沉最大值为14mm，底臌最大值为185mm，顶底板累计最大移近量约为199mm；左帮变形最大值为51mm，右帮变形最大值71mm，两帮累计变形最大值约为122mm。

2#监测点顶板下沉最大值25mm，底臌最大值为32mm，顶底板累计最大移近量为57mm；左帮变形最大值为25mm，右帮变形最大值30mm，两帮累计变形最大值约为55mm。

图4 2#监测点顶底板位移、两帮位移与开挖天数的关系

通过监测点的数据分析可以发现监测期间巷道变形特征：

（1）巷道变形与开挖时间没有直接关系。注浆后，随着掘进持续进行，巷道顶底板移近量和两帮移近量随着增大，底臌量明显大于顶板下沉量，右帮位移大于左帮位移量，整体两帮变形量稍高，最后达到平衡。

（2）通过图3、图4可以看出，在实施U型钢棚+超前注浆喷棚锚注联合支护后，顶板岩层的稳定性较好，限制了顶板下沉，巷道变形量不大，支护效果比较理想。

5 结论

（1）通过研究巷道变形的形式和原因，找到支护的关键点，通过控制顶板、卸压及底板弱支护三个方面进行了阐述。

（2）通过对整体性原则、结构性原则、全面性原则、有效性原则和时效性原则统筹考虑，提出了U型钢棚+超前注浆喷棚锚注联合支护方式。

（3）巷道变形观测可以看出，巷道变形与开挖时间没有直接关系。在实施U型钢棚+超前注浆喷棚锚注联合支护后，支护效果比较理想，为矿井安全生产和巷道开拓节省了大量的时间。