断层应力区拱形巷道联合支护技术应用

刘殿龙

（山西宏宇诚铸建设工程有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

大同煤矿集团马道头煤业公司辅运延伸巷位于井田北盘区。工程由山西宏宇诚铸建设工程有限公司承包。

辅运延伸巷设计长度为188 m，为三心拱形断面，巷道断面规格为宽×高=5.6 m×4.3 m，其中拱形部高度为2.8 m，直墙部高度为1.5 m，采用爆破施工工艺。巷道位于3#～5#煤层分叉区段，其中5#煤层厚度10.56～17.43 m，平均14.11 m；3#煤层厚度3.35～6.05 m，平均4.7 m；3#～5#煤层夹矸厚度0.71～2.69 m，平均1.4 m，岩性主要为泥岩、炭质泥岩及高岭质泥岩。施工巷道沿3#煤层顶板掘进，为全煤巷道。

辅运延伸巷无伪顶，直接顶主要为黑色泥岩与粉砂岩互层，平均厚度为3.4 m，岩体平均单轴抗压强度为21 MPa，抗剪强度为3.4 MPa；基本顶主要以灰白色中粗砂岩为主，平均厚度为6.2 m，平均抗压强度为30.2 MPa，抗剪强度为6.97 MPa。

根据马道头煤矿地测科提供的资料，辅运延伸巷掘进至140 m处揭露一条DF3逆断层，断层走向斜交三条大巷，落差2.5 m，为逆断层，平均倾角为65°，见图1。受构造应力影响，辅运延伸巷掘进至128 m处巷道拱部出现局部劈裂破坏现象，掘进至132 m处时出现冒落现象，变形严重，顶板最大下沉量达620 mm，最大底鼓量达490 mm。巷道支护失效率高，掘进速度降低至2.1 m/d，严重制约着安全高效掘进。

图1 辅运延伸巷过DF3断层剖面

2 原锚网索支护问题分析

2.1 支护设计

（1）辅运延伸巷初步设计中顶板采用“W型钢带+无纵筋螺纹钢锚杆+单锚索”联合支护方式。顶板锚杆采用长度为2.5 m，直径为22 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，共计6根，W型钢带长度为5.3 m，钢带上焊制6个锚杆钻孔，孔间距为0.9 m，钢带排距为1.0 m，锚杆与钢带配套使用；顶板锚索长度为5.3 m，直径为17.8 mm，每排施工3根单锚索，锚索间距为1.8 m，排距为3.0 m。

（2）巷帮部采用锚杆支护，每排施工两根，锚杆采用长度为2.0 m，直径为22 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每根锚杆配套一块长度为450 mm“W”型钢带；第一排锚杆施工在拱部与直墙交接点处，锚杆间距为1.0 m，排距为1.0 m。

2.2 存在的主要问题

（1）巷道劈裂破坏严重。辅运延伸巷采用的是半圆拱形巷道断面，拱形弧长达8.4 m，而原顶板支护设计中钢带长度为5.3 m，钢带无法对拱形顶板实现全封闭支护，在构造应力作用下巷道肩部及帮部劈裂破坏严重，围岩变形剧烈，巷道拱形顶板受两侧围岩应力相互挤压作用，巷道形状逐渐变成尖顶状。

（2）顶岩稳定性差。辅运延伸巷直接顶主要以软质混合岩层为主，岩体单轴抗压强度低，巷道掘进后顶板承载能力差，在进行顶板锚杆支护时钻孔施工对不稳定岩体产生严重扰动破坏，破坏了岩体完整性，岩体内摩擦力减小，在应力作用下岩体裂隙发育，产生卸压区。

（3）支护效果差。原设计中顶板钢带宽度为200 mm，钢带支护时无法与拱形顶板完全吻合，降低了钢带对顶板的支撑作用效果。同时顶板锚杆长度为2.5 m，锚杆锚固长度不足0.9 m，属于半锚支护状态，锚杆锚固端位于破碎岩体内，锚杆锚固效果及抗滑能力差，导致顶板锚杆失效现象严重。

3 联合支护技术应用

辅运延伸巷断层应力区采用“JW型钢带连桥+管式注浆锚杆+锚索+U29钢棚”联合支护，支护方式断面、平面见图2、图3。

3.1 “JW”型钢带连桥支护

为实现钢带对拱形巷道全断面支护，提高钢带支护强度，降低巷道壁劈裂破坏，对原支护设计中W型钢带支护进行优化，采用“JW”型钢带连桥支护。

“JW”型钢带连桥支护设计包括顶部3根弧形钢带，巷帮2根线型钢带，钢带宽度为380 mm。顶部弧形钢带长度为2.8 m，每根钢带焊制3个直径30 mm圆孔；帮部线型钢带长度为1.5 m，每根钢带焊制2个直径为30 mm圆孔。孔间距为1.0 m。“JW”型钢带连桥支护排距为1.2 m。

（1）首先采用锚索钻机在巷道拱形顶中部施工2个深度为6.0 m，直径为25 mm钻孔，钻孔施工完后锚固一根长度为6.3 m，直径为21.6 mm恒阻锚索，锚索外露长度控制在0.15～0.25 m范围内。

（2）顶部锚索安装后在其下端安装一根弧形钢带，并进行预紧固定；第一根弧形钢带固定后，将剩下两根钢带第一个钻孔与第一根钢带首尾钻孔叠加布置，并同样采用一根恒阻锚索固定。

（3）顶部弧形钢带固定后，将帮部线型钢带与弧形钢带同样叠加搭接，并在搭接出采用一根长度为3.5 m，恒阻锚索进行固定，见图2。

3.2 管式锚注支护

为了实现锚杆全锚效果，提高破碎岩体胶结稳定性，减少钻孔扰动破坏，对原设计中锚杆进行优化，采用管式锚注支护。注浆锚杆长度为3.0 m，锚杆直径为25 mm，锚杆中部焊制1个孔径为12 mm圆孔，且延伸至杆体底部，在杆体两侧上均匀焊制5个直径为6 mm圆孔，且与中部孔连通，圆孔间距为0.5 m。水泥、水玻璃混合液中水泥采用P.O 42.5R硅酸盐水泥，选用40°Be＇水玻璃，水泥与水玻璃配比为4∶5。

（1）巷道全断面施工5根注浆锚杆，其中拱形顶部施工3根，帮部施工2根。顶部注浆锚杆施工在弧形钢带中部，帮部注浆锚杆施工在巷帮中部，见图2。

（2）管式注浆锚杆安装后，在其外露端外丝尾套连接注浆软管，采用TBW-50/15型泥浆泵注浆，注浆压力控制在0.8 MPa，注浆时从顶部向帮部依次施工，注浆期间发现岩体有浆液渗出现象时立即停止注浆。

（3）注浆完成后采用海带及膨胀水泥对管式锚杆中部注浆孔进行封堵，并在锚杆外露端安装拱形垫片及螺母，将其与钢带预紧，预紧力不得低于200 N·m。

3.3 架设U29型钢棚

为了提高两帮煤柱对顶板支撑作用，避免两帮煤柱产生剥离破坏以及底板鼓起等现象，断层破碎带架设U29型钢棚加强支护。

（1）U29型钢棚主要由弧形顶梁（3节）、棚腿（2根）、卡缆等部分组成，每节弧形顶梁长度为3.0 m，棚腿长度为1.5 m，钢棚每节棚腿或顶梁对接长度不得低于0.2 m，并采用卡缆进行固定。

（2）U29型钢棚架设间距为1.5 m，钢棚架设后钢棚与围岩之间预留宽度为0.2 m间隙，并采用长度为1.6 m水泥板背帮，在相邻两架钢棚之间采用3组拉杆进行固定。

图2 辅助延伸巷断层破碎带联合支护断面

图3 辅运延伸巷断层破碎带联合支护平面

4 实际应用效果分析

针对马道头煤矿辅运延伸巷过断层构造应力区，顶板破碎、巷道成型差、支护难度大等技术难题，分析了原支护设计主要存在的问题，提出“JW型钢带连桥+管式锚注+锚索+U29型工字钢棚”联合支护措施，实际应用取得了显著成效。

1）与传统“W”型钢带相比，“JW”型钢带连桥支护实现了拱形巷道全断面支护的目的，防止了巷道肩角、巷帮出现劈裂破坏。同时，“JW”型钢带宽度增加，提高了围岩支护断面，而且顶板弧形钢带能够与拱形顶部相吻合，避免线型钢带支护时钢带弯曲变形大，与顶板接触不紧密现象，提高了钢带支护作用。

2）管式锚注支护是将锚杆支护与注浆技术有机的结合在一起，对于节理裂隙发育的断层破碎带，注浆可以改变围岩的松散结构，提高粘聚力和内摩擦角，使岩体强度显著提高，使围岩形成稳定完整的承载梁，而且注浆后可将短锚支护改变为全锚支护，提高了支护体抗滑能力。

3）通过对拱形巷道架设U29型钢棚不仅进一步提高了顶板稳定性，防止了顶板破碎、下沉现象，而且U29型钢棚减小了顶板垂直应力对巷帮煤墙破坏作用，防止巷帮煤墙片帮、底板鼓起等现象，提高了巷道成型率。

通过对巷道围岩观察发现，辅运延伸巷采取联合支护后，巷道成型率大大提高，未出现顶板破碎、冒落现象，避免了巷道二次修复等工序，顶板最大下沉量控制在120 mm以下，缩短了巷道支护时间，巷道掘进速度提高至4.2 m/d。过断层构造应力区期间减少支护成本费用达7.9万元。