巷道掘进过断层破碎顶板支护技术研究

（晋能控股煤业集团马脊梁矿机掘三队 山西 037027）

巷道掘进遇到断层时，受到构造应力影响巷道围岩破碎、胶结性差、强度低。采用普通的锚网索支护时受到锚杆长度限制锚固端处于破碎围岩内，从而无法起到悬吊功能；巷道围岩不平整，锚网、托盘等无法与围岩表面紧密接触、进而无法形成有效的耦合支护单元，使得断层破碎带内锚杆支护失效严重。众多的研究学者从理论、实践等方面对巷道掘进过断层破碎带围岩控制展开研究，并提出注浆、管棚支护、全锚索支护等围岩控制技术，并取得显著的应用效果。但由于不同矿井间煤岩层赋存条件有显著差异，巷道掘进方式、断层赋存条件以及作业人员技术水平等均有明显不同，因此，应根据巷道掘进过断层实际情况，采取针对性支护措施确保围岩稳定。山西某矿为确保巷道过断层期间围岩稳定，提出采用破碎带注浆+锚网索+柔性梯形梁联合支护措施控制围岩变形，确保了断层破碎带围岩稳定，为巷道掘进及使用安全创造了良好条件。

1.工程概况

山西某矿5706运输巷沿着7#煤顶板掘进，7#煤厚度5.6m，埋深460m，倾角2-9°。7#煤无伪顶，直接顶、基本顶分别为厚度2.7m的砂质泥岩、11.6m的粗砂岩，直接底为厚度5.4m泥岩。

5706运输巷采用EBZ270综掘机掘进，设计掘进长度为2850m，矩形断面，宽×高=5200mm×5700mm。根据已有地质资料显示，5706运输巷掘进至520m-670m范围内会揭露8条逆断层，落差介于0.5m-1.7m、倾角30°-55°。在巷道掘进断层期间围岩破碎，巷道容易出现冒顶事故，从而威胁巷道掘进安全。如5706运输巷掘进至530m时曾出现顶板冒落事故，冒落高度为750mm。采用常规的锚网索支护措施难以满足围岩控制需要，因此在5706运输巷掘进过断层破碎带时应针对性采取破碎顶板支护技术，控制围岩变形，实现巷道安全掘进。

图1 巷道掘进遇断层示意图

2.断层破碎带原支护存在问题分析

5706运输巷原采用锚网索支护技术，锚杆为φ24mm× 2400mm螺纹钢锚杆、间排距均为1200mm；锚索为φ18.6mm× 6300mm钢绞线，间排距均为2400mm。采用W钢带配合锚杆（索）控制围岩变形。巷道过断层破碎带期间存在一定程度的顶板冒落问题，分析主要存在下述问题：

(1)原支护体系支护强度不足

5706运输巷沿7#煤顶板掘进，直接顶为抗压强度25MPa、厚度2.7m砂质泥岩，强度较低。巷道掘进过断层破碎带时，受到构造应力、巷道掘进以及围岩破碎等因素影响，直接顶会与基本顶间出现一定离层。原支护采用的锚杆长度为2400mm，锚固端位于直接顶、基本顶间，当直接顶出现下沉后锚杆支护体系会出现部分失效，从而无法对围岩进行有效控制。

(2)锚杆、锚索与围岩耦合效果不佳

在巷道顶板上施工的锚杆、锚索主要通过与围岩耦合作用提高围岩强度及稳定性，但是当围岩破碎、强度较低时，锚杆、锚索起到的悬吊效果弱化，弱化耦合作用效果，从而增加围岩变形量。

(3)让压效果不佳

支护采用的锚杆抗拉强度达到180MPa，但是延伸率仅为2%，整体让压效果较差。当巷道顶板出现应力集中时，由于锚杆让压效果较差，导致锚杆承受较大的剪切应力，导致部分锚杆出现折断、变形等问题，从而增加巷道围岩变形量。

3.断层破碎带巷道围岩支护技术

为了确保巷道掘进过断层破碎带期间围岩稳定，避免出现冒顶、片帮以及垮落等安全事故，决定采取注浆加固+锚网索支护+柔性梯子梁对围岩进行联合支护。

(1)注浆加固

现阶段矿井井下常用的注浆材料有无机注浆材料、有机注浆材料两类，其中常用的有机注浆材料有聚氨酯、脲醛树脂等，具有较强的渗透能力、粘结性能，但是注浆成本高；无机注浆材料如水泥单液浆、水泥水玻璃双液浆等取材广泛、成本低，但是也存在粘结时间长、浆液在缝隙中渗透能力差等缺点。5706运输巷在过断层破碎带时围岩破碎，为了给巷道掘进创造良好条件并加快巷道掘进速度，决定选用聚氨酯作为注浆材料。

(2)注浆钻孔布置

在5706运输巷掘进至断层破碎带后，即采用超前注浆方式加固围岩。在掘进迎头距离顶板1.0m位置施工3个钻孔，钻孔间距为1.8m、仰角60°、孔深5.0m，钻孔终孔应位于7#煤层基本顶内。注浆孔施工完成后，首先检查钻孔质量并清理钻孔内煤屑、岩屑，钻孔质量合格后将2.0m长的注浆管塞入到注浆孔内并采用专用封孔器进行封孔。

(3)注浆施工工序

在注浆时按照先中部后两侧，即中部钻孔先开始注浆、注浆完成后再进行两侧钻孔注浆。注浆时注浆泵通过井下压风提供动力，在注浆前应对压风管是否出现破损进行检查，确认无故障后通过U型卡钳将注浆泵与压风管连接，并开启压风管路上风阀。注浆压力选择1.5MPa，注浆孔封孔长度为1200mm，注浆完成2h后方可掘进巷道。

(4)锚网索支护

将巷道顶板锚杆长度由2.4m增加至3.5m，并在锚杆外端安装长度300mm的高强让压弹簧，从而提升锚杆让压能力，并将锚杆锚固端增加至基本顶内，降低顶板下沉量。

为了降低锚杆施工给围岩扰动，将锚杆间距×排距=1000mm×1000mm优化成间距1300mm、排距1200mm。保持顶板锚索规格参数不变，巷帮仍按照原支护参数。通过增加锚杆长度并适当增加锚杆间排距，不仅可降低锚杆施工期间对围岩扰动而且可为围岩支护提供足够的支撑力，降低巷道表层围岩变形量。

(5)柔性梯子梁

为了提升断层破碎带内巷道顶板控制效果，确保支护体系可与顶板岩层耦合作用，在巷道过断层破碎带时采用柔性梯子梁控制变形。采用的柔性梯子梁结构包括有JW型钢、圆钢、圆钢托盘、夹板以及高预应力锚索等构成，长×宽=4800mm×500mmm。

柔性梯子梁中的6根圆钢（规格φ16mm×4800mm）通过4根夹板固定，夹板间距均为1500mm。柔性梯子梁采用3根（规格φ21.6mm×7000mm）预应力锚索、3块长×宽=500mm×250mm的JW钢带固定，锚索及钢带间距均为1500mm。

柔性梯子梁在两排锚杆间布置，排距均为1200mm。邻近的两排柔性梯子梁采用2根（规格φ20mm×1400mm）圆钢连接，间距均为3000mm。具体巷道过断层破碎带期间布置的柔性梯子梁结构参数见图2。

图2 顶板柔性梯子梁结构参数

4.总结

（1）受到断层影响，5706运输巷掘进至520m-670m范围内围岩破碎，同时顶板岩层强度及稳定性较低，给巷道围岩控制带来较大影响，为此，提出采用注浆方式加固断层破碎带围岩。注浆完成后，顶板岩层抗压强度由25MPa提升至57MPa，岩层稳定性及强度显著提升，可为巷道围岩控制创造良好条件。

（2）对巷道原支护参数进行优化，具体是将锚杆长度由2400mm增加至3500mm，并在锚杆外端布置高强让压弹簧增加锚杆让压能力，适当增加锚杆间排距从而降低锚杆施工对围岩扰动。采用柔性梯子梁对断层破碎带顶板进行控制，柔性梯子梁不仅与顶板接触面积大而且可有效避免钢带折断、撕裂问题，可给巷道顶板提供足够的支撑力。

（3）现场应用后，运输巷在过断层破碎带期间未出现顶板冒落、煤壁片帮等问题，其中监测到顶板、巷帮最大变形量分别为150mm、120mm，取得较好的围岩控制效果。