马道头矿N2206 皮带顺槽掘进过断层破碎带支护研究

2022-03-11贺红宙

煤矿现代化 2022年2期

贺红宙

（山西宏宇诚铸建设工程有限公司，山西朔州 038300）

0 引言

井下回采巷道掘进、煤炭回采等难以避免需要揭露断层破碎带，断层破碎带内不仅岩层破碎而且存在构造应力集中，巷道在此位置掘进时容易出现离层、甚至顶板冒落问题，给井下煤炭正常开采工作带来制约[1-2]。现阶段破碎带发育高度通过钻探、物探方式确定，存在探测偏差大、精度不高等问题，从而给巷道掘进至冒落带围岩控制带来一定影响。现阶段众多研究学者对巷道过破碎区围岩变形破坏机理展开研究，并总结得到巷道掘进过破碎带过程中围岩位移[3-4]、应力[5]以及支护体系变形规律[6]，并提出采用超前大管棚、超前锚杆以及分布耦合支护等围岩控制技术方案[7-8]，在现场实践中取得较好应用成果。由于构造产生的围岩破碎严重区域，如果巷道掘进过断层破碎带时不进行支护设计，极易导致巷道局部变形严重甚至出现冒落等问题，给巷道掘进以及后续煤炭开采等带来较大影响。马道头矿北二盘区3 号N2206 皮带顺槽掘进过DF112 断层期间，通过制定合理的围岩支护参数实现了巷道安全掘进。

1 工程概况

1.1 地质概况

马道头矿北二盘区3 号层N2206 皮带顺槽及系统巷设计全长2 233.137 m，巷道宽5.4 m×高3.6 m，采用EBZ260 综掘机沿3 号煤层底板掘进。煤层顶板为砂岩、炭质泥岩互层，巷道顶板岩层自身强度较低，遇空气容易风化、遇水后强度进一步弱化。N2206 皮带顺槽主要用以3 号N8206 工作面煤炭运输、进风等，预计巷道掘进至里程117、416、1 010 m 将依次揭露断层DF112（H= 0-25 m）、DF120（H= 0-8 m），断层影响范围内煤岩层比较破碎。另外，工作面内部存在DF128（H=0-3 m），中部有DF124（H=0-19 m）贯穿工作面，但经过比较DF124 断层两边煤层底板标高，分析该断层落差较小，对采面生产影响交低，具体N2206 皮带顺槽揭露断层情况见表1。

表1 断层情况表

DF112 断层破碎带宽宽度约为2.5 m，破碎带内充填岩石以砂岩、卵石、炭质泥岩等为主，岩层粘结力较差、岩体破碎，巷道掘进至此位置时极其容易出现顶板冒落。DF112 断层对N2206 皮带顺槽掘进有较大影响，具体顺槽与断层交汇情况见图1 所示。

图1 顺槽与断层交汇示意图

1.2 临近顺槽施工情况

N5208 回风顺槽与N2206 皮带顺槽平行，两巷间相距30 m，根据施工安排，N5208 回风顺槽超前N2206 皮带顺槽约6 个月揭露DF112 断层，在巷道过断层期间由于对断层产状、破碎带岩层参数等掌握不清楚，巷道呈出现一定程度冒落问题，冒顶高度2.6 m、宽度4.5 m、长5.2 m，后通过#字型木垛、锚网索、11 号工字钢等对顶板冒落处进行处理，见图2。

图2 顶板冒落处处理示意图

巷道掘进至断层破碎带时顶板冒落或者围岩失稳等各类安全事故发生的主要原因是断层破碎带内岩体松散、不稳定以及现有的围岩支护措施难以有效控制巷道围岩稳定等因素导致。通过上述分析得出，现阶段巷道采用的支护措施无法满足巷道掘进过断层破碎带围岩稳定性控制需要，因此需要针对断层破碎带围岩具体特点针对性制定破碎带围岩控制措施。

2 巷道过破碎带围岩支护技术

DF112 断层上下盘3 号煤层顶板直接顶均整体性以及胶结性较差的炭质泥岩、粉砂以及粗砂岩，岩层容易垮落。断层破碎带长度在2.5 m，破碎带内松散的卵石、泥岩以及砂岩充填，但是破碎带内不导水，巷道掘进过断层破碎带期间不需要采取针对性的防治水措施。

N2206 皮带顺槽掘进至DF112 断层影响区时存在较大的安全风险，根据N2206 皮带顺槽工程地质条件并采用工程类比法，提出采用超前钢管支护技术对断层破碎带岩体进行支护。通过采用超前钢管可提高断层破碎带内岩体整体稳定性以及承载能力，不仅可为巷道掘进带来较好条件而且可降低顶板冒落危险性以及下沉量。设计支护方案见图3。

图3 N2206 皮带顺槽过DF112 断层破碎带支护图

断层破碎带支护使用的超前钢管由φ40 mm钢管制作，长度为2 000 mm，布置在掘进迎头顶板上，钢管仰角均为30°，间距200 mm。巷道掘进过断层破碎带时循环进尺控制在800 mm 以内，最大、最小空顶距分别为1 000、200 mm。

在N2206 皮带顺槽使用临时支护完成掘进后，立刻构建以锚网索为核心的永久支护体系。巷道顶板布置采用2 根规格φ17.8 mm×1 1800 mm 锚索、4 根规格φ17.8 mm×6 300 mm 锚索进行全锚索支护，单根锚索提供的预紧力均在130 kN 以上，锚固端锚固力均在200 kN 以上；巷帮按照1 100 mm×1 100 mm 间排距布置高强螺纹钢锚杆（规格φ18 mm×2 200 mm）支护锚杆扭矩均在120 N·m 以上；顶板锚索采用W 钢带连接，钢带规格为220 mm×4 mm×4 300 mm。全断面铺设菱形金属网。巷道掘进完成后立即进初喷，封闭裸露岩层，减低围岩风量程度以及涌水量；锚网索支护完成后，通过二次喷浆将锚网、锚杆以及钢支架连接为一个相互作用支护结构体，提高巷道表层岩体支护强度。巷道顶板及巷帮表层喷射强度C20 混凝土、厚度100 mm。

3 破碎带围岩支护效果

N2206 皮带顺槽在掘进过DF112 断层破碎带期间，将巷道循环掘进进尺控制在800 mm 以内，从而降低掘进对围岩扰动。采用超前钢管支护、锚网索以及破碎段表层喷浆等联合支护方式后，巷道掘进期间未出现顶板冒落、迎头破碎岩体失稳等情况。为分析支护方案对断层破碎带围岩控制效果，在N2206皮带顺槽掘进过断层破碎带时间隔3 m 布置2 个测站，在测站内分别对顶板表面位移，顶板上覆1.0、3.0 m 以及6.0 m 位置岩层位移及离层情况进行监测，具体监测结果见图4 所示。

图4 断层破碎带围岩支护效果

从监测结果看出，在断层破碎带内巷道顶板上覆顶板岩层离层量随着支护时间增加，呈现逐渐稳定趋势，当监测超过38 d 后顶板离层基本稳定，其中顶板上覆6.0、3.0 m 以及1.0 m 位置离层量最大分别为6.5、28.2、30.6 mm，顶板离层量整体较小；在监测期间巷道顶板位移最大变形量为83 mm，顶板岩层稳定，未有冒顶迹象。表明，N2206 皮带顺槽掘过断层破碎带期间采取的围岩支护方案可满足破碎带岩体控制需要，可满足巷道安全掘进需要。