掘进巷道过断层破碎带联合支护技术研究

郭艳飞

（潞安化工集团漳村煤矿，山西 长治 046032）

引言

巷道的设置方便了人们开采和运输煤炭，同时改善了开采和运输环境的通风条件，并为及时排水创造了通路。但是受到巷道钻凿地的地下水文地质条件、煤层赋存条件和巷道支护参数等多种因素的影响，在煤矿开采工作过程中形成的回采巷道会出现各种威胁巷道正常使用的情况，比如，围岩产生不同程度的变形和裂缝产生渗水、采空区顶板岩层悬空出现顶板片帮垮塌现象。因此，为了保证巷道不受威胁，维持其正常使用，需要考虑巷道钻凿地地下水文条件和地质构造等因素，采取有针对性的围岩控制技术。地下水文和地质构造对回采巷道的影响会随着掘进深度的增加而变大，并且巷道在挖掘过程中会遇到陷落柱、褶皱和断层等地质构造，这时围岩会出现破碎、稳定性变差等一系列问题，这给围岩控制带来了极大的挑战，特别是当掘进过程中遇到断层破碎带时，对围岩的控制就变得更加困难。以潞安化工集团某矿1506巷道掘进通过DF21断层为工程实例，综合分析并针对该巷道围岩特性，提出了可应用注浆+U型钢架棚+锚网喷的联合支护技术并展开分析。

1 1506巷工程概况

该矿1506巷从5号煤层底板开始向内掘进，设计掘进距离590 m，设计掘进断面为半圆形，设计掘进方式为综合机械化掘进。5号煤层全区可开采，煤层均厚5.9 m，倾角10°，设计掘进区位于褶皱背部。通过前期地球物理勘探资料可知该煤层赋存条件复杂，煤层上面覆盖有0.26 m的泥岩伪顶、赋存稳定性不足；直接顶厚度3.6 m，有大量的泥岩和少量的粉砂岩覆盖；基本顶厚度2.8 m，有大量的细砂岩和粗砂岩覆盖；直接底厚度2.8 m，有泥岩和砂质泥岩覆盖。泥岩和砂质泥岩具有较高的软化系数和较大的孔隙率，因此遇水极易泥化，造成煤层顶底板承载力过低。并且在掘进过程中会遇到DF21、DF26等多条断层，这给围岩的控制带来了极大的挑战，特别是DF21断层，对巷道掘进和围岩支护的影响尤为显著[1-2]。

2 掘进过断层破碎带围岩支护技术

当1506巷掘进到达DF21断层时，围岩会产生破碎和裂隙，从而会出现顶板破碎严重、围岩变形量过大、顶板片帮垮塌、冒顶等威胁巷道正常使用的现象。因此，为了有效支护围岩，控制围岩变形，提出了将注浆、U型钢架棚和锚网喷联合应用的围岩控制支护技术方案。

2.1 超前预注浆

采用超前预注浆的方式可以对断层破碎带周围的围岩进行加固，创造了良好的安全施工环境，从而实现巷道安全掘进过断层。5号煤层的顶底板含有大量的软化系数高、孔隙率大、承载能力低的泥岩和砂质泥岩，遇水时极易泥化，因此在采用超前预注浆技术时，应采用泌水率相对较低的水泥浆液，聚氨酯黏度低，有较好的流动性，胶结后强度增强，因此本技术应用中采用聚氨酯作为注浆材料[3]。

下页图1为在巷道内设置的施工注浆孔示意图，设置注浆孔深度为4.0 m，聚氨酯加压0.8 MPa后通过注浆管注入断层破碎带中，连续注浆20 min即可停止注浆，此时注浆完成，待注浆完成后15 min即可开始掘进巷道。

2.2 锚网喷、U型钢支护

图1 巷道内施工的注浆孔示意图

通过超前预注浆技术，断层破碎带已经被注浆材料填补，断层内岩体整体的稳定性和强度被大大提高，此时可以对锚杆、锚索和U型钢架进行架设，完成对围岩的支护。选择支护锚杆的直径为20 mm、长度为2 600 mm，相邻锚杆之间的间距为1 000 mm、排距为1 000 mm，锚固力为60 kN，抗拉强度为190 MPa，锚固剂采用树脂锚固剂。金属托盘与锚杆支护配套使用，采用长度为250 mm、宽度为250 mm、厚度为10 mm的金属托盘。为了减少或避免混凝土产生裂隙，在巷道表面铺设金属网，采用菱形金属网，长度为3 000 mm、宽度为3 000 mm、厚度为4 mm。当金属托盘和金属网铺设完成后，在巷道表面喷射一层强度为C30的抗渗混凝土，喷射厚度以80 mm为宜。断层内锚网喷、U型钢支护的设计图如图2所示。

图2 锚网喷、U型钢支护设计图

3 断层破碎带围岩支护效果分析

现需对巷道围岩的变形量进行监测，设置两个测站，间隔为15 m，两个测站分别设置3个监测点，围岩变形量用顶板下沉量和两帮收敛量两个指标反映，分别对两个测站的顶板下沉量和两帮收敛进行变形量的监测，监测时间为1 d、3 d、5 d、7 d、···，27 d，以此来确定超前预注浆，锚网喷和U型钢的支护效果。监测站顶板下沉量和两帮收敛量变化如图3所示。

图3 测站顶板以及巷帮变形量监测结果

从图3中曲线变化趋势可以看出，围岩变形量在前7 d内变化明显，7 d之后的变形量趋于稳定，顶板下沉量比两帮收敛量大，测站2的围岩变形量大于测站1的围岩变形量，这是由于测站2有一定量的浆液涌出，导致断层强度相比测站1低。两个测站的最大顶板下沉量分别为30.5 mm和44.3 mm，最大两帮收敛量分别为25.6 mm和35.4 mm。两个指标的最大值均在围岩变形量允许范围内。由此可见，通过联合注浆、锚网喷和U型钢支护技术可以有效增加围岩强度，减少围岩的变形量。

4 结论

1）巷道掘进过程中遇到复杂的地质构造导致围岩出现变形，断层破碎带对掘进安全的影响尤为明显，若不采用针对性的围岩控制措施会出现威胁巷道掘进安全的问题。

2）采用超前预注浆、锚网喷和U型钢支护的联合支护技术，有针对性的对围岩支护技术进行了改进，控制围岩变形。根据实际情况对注浆、锚杆、金属网等支护参数进行设计。实际应用中将最大巷道顶板和两帮收敛量分别控制在44.3 mm和35.4 mm，均在围岩变形的允许范围内，说明本文提出的联合支护技术是可行有效。