复合支护技术在掘进工作面过断层中的应用

赵春波

（晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

掘进工作面在揭露断层过程中，煤体逐渐变得酥软，硬度下降。由于煤层整体上抬，易导致煤体塌落，造成顶板错距，机组无法正常施工。掘进工作面遇到此类情况常常采用搭架，人工支掘巷道上半部，支掘够一定距离后，机组起底下半部逐渐接顶。这种施工方法安全系数低，作业环境差，工人劳动强度大，掘进工效低，且造成巷道超高，给后期带来安全隐患。

采用锚网索注浆架棚联合支护技术过断层，注浆加固酥软煤体，提高煤壁力学性能，能有效控制工作面片帮、冒顶等问题。

1 工程背景

赵庄煤业5103 巷为五盘区辅运大巷，巷道断面积5×4.5m，掘进断面积22.5m2，净宽4.8m，净高4.4m，净断面积21.12m2。采用EBZ200 型掘进机进行割煤，后配有EZQ-300 型转载机、1m 带式输送机组成综合机械化掘进系统。采用两台CMM2-18液压锚杆钻车来完成顶帮锚杆、锚索的打注，支护采用锚网梁索联合支护。工作面在掘进至5540m 处揭露上抬正断层f731（110°∠75°， H=7m），掘进由上盘进入下盘，煤岩层上抬，预计影响巷道掘进约70～80m。工作面布置如图1 所示。

图1 工作面布置图

2 注浆加固

在揭露断层前3m 时对工作面进行注浆，加固工作面松散煤体，提高工作面煤体完整性及强度。

2.1 注浆设备

采用气动双液注浆泵1 台（ZBYSB40/22-7.5），气动搅拌桶2 台QB-260。

2.2 注浆材料

联邦加固Ⅰ号（双液）注浆材料，主要用于巷道浅层破碎区注浆加固、钻孔封孔。该材料为无机双液注浆材料，双液可单独存放8h 以上不凝固，混合后0～5min 失去流动性，5～15min 完全固化，2h 强度可达8～15MPa，水灰比可调范围0.6～1.5:1，结实率均能够达到100%。材料抗压强度如表1 所示。

表1 注浆材料抗压强度对比

2.3 注浆封孔

封孔深度1～1.5m，漏浆严重时可以适当增加封孔长度。

封孔方法如图2 所示，用棉纱封堵封孔段两端钢管空隙，进行封堵注浆，20min 后浆液固化即可实施注浆。

封孔时需注意以下几点：（1）适当减低水灰比；（2）应当让浆液在混合管内停顿2～3min；（3）拔出出浆管后，应在孔口位置稍补注一些浆液。

图2 注浆封孔方法示意图

2.4 注浆施工技术

注浆先施工3m 孔，依据注浆情况，再依次施工12m 孔。所有钻孔均采用联邦注浆加固Ⅰ号（双液）注浆加固。由于掘进贯通点为已封闭巷道，煤体松散且不能察觉是否漏浆，因此加固采用间歇性低压缓注，3m 注浆压力控制在4～6MPa，12m 注浆压力为10～12MPa。当漏浆严重时，适当降低注浆压力。每袋质量40kg，原则上注到泵压上限为止，当同一位置出现多次漏浆难以封堵，或者煤体出现松动鼓出迹象，也可结束注浆。掘进工作面钻孔布置图如图3 所示。

图3 工作面钻孔布置图

如图3 工作面钻孔布置图可知，所有钻孔均垂直煤壁打设，钻孔直径42mm。

3m 浅孔布置：每排3 个钻孔，上部钻孔、中部钻孔和下部钻孔在一条直线上。上部钻孔距离顶板0.6m，俯角2°；中部钻孔距离顶板1.8m，俯角2°；下排钻孔距离顶板3.0m，俯角2°。同排钻孔之间间距均为1.2m。巷道迎头全断面共布置3m孔6 排。布置在巷道轮廓线上的3m 孔均向帮内辐射布置，夹角为15°。

12m 深孔布置：每排2 个钻孔，上部钻孔和下部钻孔在一条直线上。上部钻孔距离顶板1.2m，俯角2°；下部钻孔距离顶板2.4m，俯角3°。同排钻孔之间间距均为1.2m。巷道迎头全断面共布置12m 孔5 排。布置在巷道轮廓线两侧上的12m 孔均向帮内辐射布置，夹角为15°。

3 锚网索架棚联合支护技术

3.1 顶板支护方式

顶板采用全锚索支护配合钢筋托梁联合支护。顶板锚索长度根据顶部煤线情况，可使用长度为6.4m、7.4m、8.4m、9.4m、11.4m、14.5m 及更长的锚索，保证锚固力及锚固长度达到设计要求。帮部支护同原支护一致。顶板锚索布置平面图如图4所示。

图4 顶板锚索布置平面图

顶板锚索布置排距1000mm，间距1200mm，每排5 根，靠帮侧锚索距帮400mm，且锚索全部垂直顶板。锚索采用1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线制成，Ф22mm，长度6400～14500mm，尾部采用配套的高强度锁具。锚索托盘采用高强度碟形托盘，规格300×300×16mm。

锚固方式采用树脂加长锚固。锚索采用三支锚固剂，一支为快速锚固剂，型号MSK2335，两支为中速锚固剂，型号MSZ2360。先放快速锚固剂，后放中速锚固剂。钻孔直径30mm，锚固长度不小于1900mm，锚索外露锁具外150～250mm，锚固力不小于400kN，预紧力不小于250kN（根据锚索张拉机具，张拉过程中因力的损耗，顶板锚索需张拉至36MPa）。

钢筋托梁采用Ф14mm 的钢筋焊接而成，宽度80mm，长度4900mm。在安装锚索的位置焊接两段纵筋以便安装锚索，纵筋间距100mm，型号T4900×80/14-100×80。

菱形网片采用10#铁丝编织而成，网孔规格70×70mm，网片规格1150×5800mm，型号LW10/70-1.15×5.8。

菱形网片采用搭接方式联接，搭接长度100mm，使用双股16#镀锌铅丝捆扎，每隔140mm捆扎一道，扭结不少于3 圈。

3.2 顶板喷浆

揭露煤层后对顶板及时喷浆加固，喷浆机采用转子湿式混凝土矿用隔爆型湿式喷射机组（JPS7I-L），功率5.5 kW。喷浆使用材料配比（重量）为水泥∶砂∶石子为1:2:2。水泥为普通硅酸盐水泥，标号为P·0 42.5，无过期、受潮结块现象。砂为坚硬清洁的中粗黄沙，含水率3%～6%；石子选粒径为2～5mm 清洁干净的。

喷浆施工工艺：

（1）全面检查施工地点支护情况后，安排人员拌、运料。准备完毕后，进行喷射混凝土施工。

（2）喷浆前对喷浆地点的底板铺设不可燃性布条，对回弹物进行二次利用。

（3）喷浆厚度50～100mm，强度C20，喷浆后需保证巷道表面平整，无坑洼现象。

（4）喷嘴至喷射面的距离应保持0.6～1m，喷嘴处的风压要保持0.1MPa 左右，喷头的水压要比风压高0.1MPa，喷嘴与喷射面尽量保持垂直。

（5）在巷道中使用的长距离输料管要定期转动，使其磨损均匀。作业中要经常检查输料管和出料弯头处有无磨薄、击穿现象，发现有破损时必须及时更换输料管。

（6）喷射机必须保持密封性良好，防止漏风和粉尘飞扬。

（7）搅拌料时要均匀，人工搅拌时，至少搅拌3 次。

3.3 滞后工作面30m 对顶板进行架棚

采用单体液压支柱（型号：DW45-250/110LX）作为棚腿，π 型钢梁作为棚梁，架棚采用一梁两柱，棚距与现场施工排距相同。施工地点供液由1 台乳化液泵（风动单体升柱器）提供，通过高压液管直接向施工地点供应乳化液。巷道架棚时棚腿必须支设在巷帮风水管路、电缆、五小等的煤帮侧，采用1.5m 的板梁打“＃”字型木垛或者采用背板、木楔对巷道顶部、柱头上方进行接顶，保证背紧、背实、背牢。

材料规格：

单体柱：4.5m；

π 型钢梁：4.5m、5m。

4 结论

（1）传统人工支掘过断层施工方法容易造成工作面塌顶，需人工搭架、人工支掘，造成工作面环境恶劣，工人劳动强度大。采用锚网索注架棚联合支护过断层施工方法，能够有效控制顶板，改善作业环境，减少工人劳动强度，提高安全系数。

（2）锚网索注架棚联合支护技术过断层施工方法较传统人工支掘过断层施工方法掘进效率明显提高，掘进效率提升35%。

（3）传统人工支掘过断层施工完毕后，易造成巷道超高，巷道勾顶架棚后，无法准确观察顶板变化情况，给后期巷道维护带来困难。锚网索注架棚联合支护技术过断层施工方法将煤层留至顶部，且能得到有效控制，巷道不会造成超高，便于顶板观察。