31 采区2#回风巷掘进过断层破碎带支护技术研究

康 健

（潞安化工集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西 长治 046000）

在煤矿回采巷道的掘进施工过程中，经常会遇到断层及破碎带等地质条件较差的区域，这些区域的岩层具有低强度、透水性高、易于变形等软岩特征[1-3]，也造成了这些地方是围岩变形严重、围岩破碎、维护困难、直接影响安全的地带[4-5]，是巷道围岩控制的重难点区域。夏店煤矿31 采区2#回风巷道的掘进过程中穿越F2 断层破碎带，巷道围岩变形较大，顶板掉矸严重，片帮量大。经过现场研究，采用超前管棚支护+喷射混凝土作为临时支护，可以提供一个安全稳定的工作空间，采用锚杆+锚索+金属网+型钢梁作为永久支护，可以长期地保证巷道变形量在规定范围内，取得了很好的工程效果。

1 概述

31 采区2#回风巷开口位置在31 采区2#回风巷出煤联巷口向北109 m（正中）处的巷道西帮，开口以方位角282°38′46″向前掘进403 m，再以方位角192°38′46″沿煤层顶板向南掘进116 m，最后再以方位角102°38′46″继续掘进15 m 后与31 采区皮带巷末端贯通。该巷道南面为31 采区专回，北面和西边为未开采的煤体，东面为31 采区2#回风巷出煤联巷。

巷道所在煤层为山西组中下部3#煤层，煤层厚度稳定，煤层含一层夹矸。巷道正前方存在F2 断层，在巷道掘进约240 m 处开始进入断层影响范围。巷道断面为矩形，毛断面宽5.2 m，高3.5 m，净断面宽5 m，高3.5 m，设计长度534 m。巷道开口采用人工风镐开口，开口掘进约15 m 后，将综掘机移机至巷内，以机掘方式继续向前掘进。

2 原巷道支护方案

在巷道掘进进入断层破碎区之前，巷道支护的方式为临时支护+永久支护的方案。

（1）临时支护为管式前探梁临时支护。采用2根前端增加一套防片帮装置的4 m 长3.3 m 加厚钢管，每个防片帮的装置上有3 组T 型挂钩，用于安设逼帮板。在前进方向左右帮第二根顶板锚杆上用4 套特制钢卡将逼帮板吊挂在该处，并将一块和逼帮板规格相同的护顶板放在前探梁顶部，使之随前探梁前移而前移，临时支护完毕后护顶板必须可靠绞顶。

（2）永久支护采用金属网+锚杆+锚索+钢筋托梁联合支护。顶板支护中锚杆长度2400 mm，直径22 mm，采用端头锚固的方式，锚杆打设与顶板（节理面）垂直，两侧角锚杆与巷道顶板成80°。设计排距1000 mm，每排6 根锚杆，间距900 mm，靠近帮上的一根顶锚杆距巷帮250 mm。钢筋托梁采用Ф16 mm 的钢筋焊接而成，宽度80 mm，长度4800 mm。金属网采用10#铁丝编制而成，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格5400 mm×1100 mm，用14#铅丝联接，顶帮搭接200 mm，长帮对接，双丝双扣，孔孔相联。锚索直径为21.8 mm，长度为7300 mm，端头锚固，布置排距为1000 mm，居中布置（2-3-2-3-2）。第一排第一根打设在距巷道左帮1 m 处，第二根打设在距巷道右帮1 m 处，第三根打设在巷道正中，第二排第一根打设在距巷道左帮1.5 m 处，第二根打设在距巷道左帮1.5 m 处，第二根打设在距巷道右帮1.5 m 处。

巷帮支护中锚杆长2000 mm，直径为20 mm，锚杆排距为1000 mm，每排每帮4 根锚杆，间距为1000 mm。锚杆打设与巷帮垂直，最下部一根、最上部一根与巷道帮部夹角为80°。钢筋托梁采用Ф16 mm 的钢筋焊接而成，宽度80 mm，长度3300 mm。网片采用10#铁丝编制的金属网，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格3200 mm×1100 mm，用14#铅丝联接，顶帮搭接200 mm，长帮对接，双丝双扣，孔孔相联。

支护方案如图1。

采用这种支护方案在进入断层破碎区后，顶板掉矸严重，片帮现象严重，临时支护已经无法保证安全的工作空间。通过对顶板和两帮变形的监测，发现在原永久支护措施下，巷道顶板和两帮的位移严重。因此，需要对断层破碎区的巷道支护方案进行调整，以适应地质条件变化造成的不良影响。

图1 31 采区2#回风巷掘进过程中的原支护方案

3 断层破碎区巷道的改进支护方案

（1）针对原临时支护方案的不足，通过研究，决定采用超前管棚支护+喷射混凝土作为临时支护。其目的是利用喷射混凝土增加破碎区煤块之间的粘结性，增加巷道围岩整体性，并利用混凝土层和管棚增强围岩的力学性能。施工参数为：在巷道掘进面前方施工直径为50 mm、深度为6000 mm 钻孔，向上倾斜5°，并扫孔。扫孔结束后再向内打入长度为7000 mm 钢管，钢管间距为300 mm，外露长度为500 mm。将外露端部固定在后方的永久支护钢架上。由于前方掘进煤体较为破碎，管棚的前方在煤岩体上的长度最小控制在2 m，巷道每次掘进4.5 m，之后进行混凝土喷射，喷射混凝土标号为C20，厚度为50 mm。随后再开始进行永久支护的施工。

（2）永久支护方案在原支护方案的基础上进行改进，变为金属网+锚杆+锚索+型钢梁联合支护。具体改进之处为：

① 顶板锚索的数量由3 个变为5 个，间距改为1000 mm。增加锚索的数量是利用悬吊理论，将围岩中破碎的块体更多的与围岩深处的稳定的岩体连接为一体，增加围岩的稳定性；

② 将锚杆的间距由900 mm 改为600 mm，并将锚杆的直径由22 mm 改为26 mm，降低每个锚杆所承受的剪应力并提高其抗剪强度；

③ 将原支护方案中的钢筋托梁变为π型钢梁，并将π 型钢梁作为锚杆、锚索的托板，增加整个支护方案的整体性，利用π 型钢梁中的柱梁来被动抵抗巷道顶板的向下位移。π 型钢梁中顶梁采用工字钢，柱梁采用圆柱形钢。

改进后的支护方案示意图如图2。

图2 31 采区2#回风巷掘进过程中的改进支护方案

4 效果

在巷道掘进过程中，对巷道顶板和两帮的变形量进行为期30 d 的监测，并将每天的变形量进行记录分析。图3 为断层破碎区内采区巷道在300 m处和340 m 处变形图。从图中可以看出，改进支护方案后，顶板和两帮的变形量最大分别为25 mm、49 mm，分别降低为原支护方案下变形量的9.9%、15.3%。除此之外，采用改进后的支护方案，巷道顶板的掉矸现象几乎不再出现，片帮现象变为偶有发生。在临时支护的作用下，掘进工作和永久支护的施工工作均可以安全高效快速地完成。

截至2020 年6 月11 日， 31 采区2#回风巷道的工作面已经掘进至380 m 处，顺利通过了F2 断层破碎带区域，巷道围岩整体性增强。如图4 所示为巷道在断层破碎区改进支护方案前后的顶板和两帮的最大变形量。

图3 31 采区2#回风巷在300 m 处和340 m 处变形规律图

图4 31 采区2#回风巷在破碎区改进支护方案前后最大变形量对比图

5 结论

在夏店煤矿31 采区2#回风巷掘进工作面经过断层破碎带时，采用开挖后才进行施工的管式前探梁临时支护和金属网+锚杆+锚索+钢筋托梁联合永久支护出现了许多工程问题，不利于工程安全和高效进行。经过分析，采用超前的管棚支护+开挖后喷射混凝土的临时支护，并对永久支护中的锚索数量等进行了改进，取得了良好的工程效果。