特厚煤层掘进快速过断层群围岩加固技术研究

徐文平

（马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037100）

马道头煤业是设计年产1000 万t 的特大型矿井，位于大同煤田西部。矿井四盘区地质条件复杂，在开拓过程中巷道多次受密集断层群影响，顶板维护难度大、单进水平低、安全风险大。在断层群应力集中区域矿压显现强烈，巷道围岩整体松软破碎，顶部和帮部伴有侧滑现象，“煤炮”频繁发生。巷道原有支护受到严重破坏，钢带断裂和托盘变形现象较为普遍，形成大量高冒区，处理起来既费时又不安全，严重影响了矿井的安全生产和正常的采掘衔接。因此，需要结合该区域地质条件，研究制定一套安全高效的过断层群支护技术。

1 概况

马道头煤业C3-5#层8404 工作面为四盘区首采工作面，该工作面设计走向长4211 m，倾向长221 m，平均煤厚17.4 m，工作面平均埋深387 m。煤层顶底板岩性特征见表1。工作面巷道布置形式为“U”型，其中2404 巷为皮带巷，兼做进风，5404 巷为辅运巷，兼做回风。2404 巷沿煤层底板掘进，巷道断面5600 mm×3600 mm，支护形式为“锚杆+锚索+钢带+金属网”。顶板锚杆采用Φ22 mm×2400 mm，间排距800 mm×900 mm，预紧力为300 N·m，配套150 mm×150 mm×10 mm 高强度拱形托板；顶锚索采用Φ17.8 mm×8300 mm 型钢绞线，间排距5400 mm×1800 mm，配套300 mm×300 mm×12 mm 高强度可调心托板；护帮采用Φ22 mm×2400 mm 型锚杆，间排距800 mm×900 mm，预紧力为300 N·m，配套150 mm×150 mm×10 mm 高强度拱形托板。

表1 C3-5#煤层顶底板岩性特征表

地质资料显示，2404 巷在里程555 m 附近预计会揭露DF16 正断层，断层落差为0～10 m，断层倾角为65°～70°，断层走向斜交巷道，过断以后煤层底板抬升。现场施工过程中，巷道掘进至560 m处揭露DF16 断层，受断层影响，巷道迎头顶板破碎严重。经过进一步的探测发现，巷道掘进前方存在密集断层群，影响范围为120 m，对巷道的安全掘进造成严重影响。为了加强过断层群期间对破碎围岩的控制，防止发生漏顶事故，提出采用锚注一体支护技术[1-5]。

2 围岩加固支护方案

2.1 超前段支护锚注加固

在断层群掘进前，使用超前预注浆方法对破碎围岩进行加固改性，注浆可将掘进前方顶板裂隙充填粘接。本次采用锚注一体工艺，该工艺可将锚杆的支护作用和注浆的粘接加固作用结合起来，可起到较好的顶板超前治理效果，实现先治后掘。方案采用中空注浆锚杆进行支护和注浆，锚杆规格为Φ25 mm×6000 mm，在巷道迎头每排施工5 根中空注浆锚杆，间排距为1500 mm×900 mm，仰角为15°，如图1。待注浆锚杆锚固完成后，连接注浆管路快速接头进行注浆加固，注浆材料选用AB 混合型加固型注锚剂。控制注浆速度不要太快，当发现局部顶帮漏浆时，应及时停止注浆并进行封堵；当注不进浆液时，应打开快速接头取下注浆管路再安装至下一根中空注浆锚杆上。重复以上程序继续进行注浆，以此类推完成全部注浆工作。

图1 超前段支护锚注加固示意图（mm）

2.2 掘进段锚注一体加固

在超前锚注支护掩护范围内进行掘进，为了减少对巷道的扰动，采用半边掘进半边支护的方法，即将巷道断面一分为二，一左一右进行掘进与支护交替作业。用中空注浆锚杆和锚索代替原支护设计的锚杆和锚索。施工顶板支护时，优先施工顶注浆锚杆再施工注浆锚索，选用Φ25 mm×3100 mm中空注浆锚杆，每排7 根，间排距800 mm×800 mm；选用Φ22 mm×11 800 mm 中空注浆锚索，每排5 根，间排距1000 mm×800 mm。两帮垂直煤壁各施工4 根Φ25 mm×3100 mm 中空注浆锚杆，间排距800 mm×800 mm，注浆材料选用加固型注锚剂，注浆方法同超前段注浆。需要注意的是注浆前要先对巷道进行喷浆，对后续锚杆注浆形成托底层；然后对中空注浆锚杆注浆，使巷道围岩3 m 范围内形成一个加固拱，对后续锚索注浆形成托底层；最后再进行中空注浆锚索注浆，对巷道顶板上方11.5 m 范围内的围岩进行加固，实现对顶板坚固性和完整性的提升。掘进段锚注一体加固示意图如图2。

图2 掘进段锚注一体加固示意图（mm）

2.3 滞后架棚二次注浆支护

巷道掘进后，部分区段围岩特别破碎，进行锚注时发生了漏浆现象，导致充填不严实。为了消除隐患，对注浆时发生严重漏浆的区域采取架棚支护措施。钢棚选用U29 型钢，棚间距为800 mm，滞后工作面迎头30 m 范围内进行施工。随后对架棚区域范围内的巷道进行喷浆覆盖，待喷浆凝固后，再次向巷道围岩施工注浆孔，进行二次充填注浆，使漏浆区域破碎围岩得到进一步加固。

3 应用效果

2404 巷道采用注浆锚杆和注浆锚索加固技术后，顺利穿过以DF16为主的断层群120 m影响范围。在此过程中，平均单进为5 m/d，仅用24 d，与以往过断层采用穿钢针和短掘短支的工艺相比，单进水平提高2 m，掘进效率提升了66%。锚注一体支护将原锚杆锚索的锚固方式由端锚固改变为全长锚固，锚固效果好且支护材料被浆液包裹不易腐蚀。通过近6 个月的巷道变形观测，锚注一体支护区域的巷道围岩顶底板移近量52 mm，两帮移近量37 mm，与之前未采取锚注措施的过断区域相比巷道变形量减少了60%，取得了良好的技术经济效果。

4 结论

（1）使用锚注一体技术可有效解决特厚煤层掘进巷道过断层群的围岩控制问题。该技术将锚杆锚索支护作用和注浆的粘接加固作用有机结合起来，提高了支护结构的整体承载能力，实现了对破碎围岩的加固和改性。

（2）基于锚注一体技术，采用超前段支护锚注加固、掘进段锚注一体加固、滞后架棚二次注浆加固等方法，使得过断期间单进水平提升了66%，达到5 m/d，后期巷道变形和位移减少了60%，一定程度上预防了过断层期间顶板事故的发生，保证了巷道的安全快速掘进与后期使用，为其他同类型掘进工作面过断层群提供了参考与借鉴。