掘进巷道过断层联合支护方案研究

李 科

（潞安化工集团五阳煤矿，山西 长治 046200）

1 潞安化工集团A 矿2103 运输巷概况

潞安化工集团A 矿2103 运输巷所处区域为矿井301 采区南部，2103 运输巷长度632 m，断面呈矩形，断面长度4.5 m、宽度3.5 m。巷道掘进方向同12-2 号煤层底板走向一致。

12-2 号煤层具有结构简单、可开采量较大等特点，巷道的直接顶由细砂岩和砂质页岩构成，厚度为5.9 m，基本顶由粗砂岩构成，厚度为9.7 m，不存在伪顶[1]。

当前2103 运输巷已掘进155 m，由相关地质资料可知，巷道160 m 处即将出现F3 逆断层，断层落差1.4 m，断层倾角45°。由于断层存在，导致巷道在掘进超过150 m 后，顶板开始出现离层、冒落等现象，尤其是掘进超过155 m 后，顶板整体性较差，破碎情况十分严重。现有的支护方式难以满足顶板的支护需求，严重阻碍巷道掘进工作的安全高效进行。

2 顶板原支护方案分析

2.1 原支护方案

2103 运输巷现有的支护方案为锚杆+锚索+钢带的联合支护方案。选用的锚杆直径为20 mm、长度为2 000 mm，选用的锚索直径为17.8 mm、长度为4 500 mm，选用的钢带长度为4 200 mm、宽度为25 mm；顶板每排锚杆的数量为5 根，锚索的数量为3根，相邻锚杆的间距为1 000 mm、排距为1 000 mm，相邻锚索的间距为1 800 mm，排距为3 000 mm。锚杆在围岩中的锚固长度为300 mm、外露长度为10～30 mm，锚索在围岩中的锚固长度为1 200 mm、外露长度为150～250 mm。锚杆布置完毕后每排锚杆添加1 条钢带完成预紧过程[2]。

2.2 问题分析

现有的支护方案难以保证断层区域的支护效果，降低了巷道的掘进效率以及施工安全性，主要原因如下：

1）受断层构造应力影响。F3 断层区域内，巷道顶板煤岩层破坏严重导致应力出现卸压空间，造成巷道掘进过程中应力集中现象明显，两帮煤岩体出现垂直剪切应力以及水平张拉应力，造成巷道顶板产生破碎、离层和冒顶等情况。

2）支护强度不足。顶板选区的锚杆长度为2000mm，已知巷道顶板煤层厚度为6.5 m，顶板上方仍有2.0 m 厚的煤层，并且锚杆外露长度在10～30 mm 之间。所以，锚杆难以打设至煤层的直接顶上，不仅显著降低了支护效果，而且是造成离层现象的出现。此外，由于锚固区域较浅，顶板的变形仅能靠布置钢带进行控制，很容易出现钢带断裂导致支护失效的情况产生。

3 过断层顶板综合支护技术方案

为提升2103 运输巷在断层掘进期间顶板的稳定性，提高巷道的掘进效率，本文提出了一种撞楔超前支护+丝杠柱空顶支护+注浆锚杆支护的联合支护技术方案。

3.1 撞楔超前支护方案

撞楔超前支护方案所需部件包括钢钎、夹板、锚固剂以及固定锚杆。选取的钢钎直径为30 mm，长度为3 000 mm；夹板采用高强度钢板，长度为800 mm，宽度为300 mm，钢板两端分别加工出1 个圆孔，圆孔直径为30 mm；选取的固定锚杆直径为20 mm，长度为1 200 mm[3]。

在2103 运输巷掘进至155 m 附近时，提前在巷道顶板指定位置垂直于煤壁进行钻孔，钻孔直径为32 mm，相邻孔的间距为300 m，钻孔完毕后放入钢钎，钢钎外露长度为200 mm，布置完毕后先使用锚固剂进行加固，加固后再使用夹板加紧，通过夹板两端的圆孔进行固定锚杆打设，每个夹板负责3 根钢钎，保证钢钎和夹板的固定效果，在断层掘进期间重复该过程。

3.2 丝杠柱空顶支护

巷道掘进过程中，端头迎头处常常会产生顶板冒顶现象，主要原因是断层构造导致顶板空顶的产生，进而导致冒顶现象的出现，降低了巷道的掘进效率。针对这一问题使用丝杠柱实现顶板空顶区域的临时支护，避免冒落现象的出现。丝杠柱空顶支护所需构件包括：钢梁、吊环和丝杠柱。钢梁选用10 号槽钢，包括横梁以及纵梁，长度依次是4.2 m、4.0 m。其中横梁上需要加工除3 个焊制丝扣孔，保证丝杠柱的安装。

巷道掘进过程中，一旦迎头出现超过1.5 m 的空顶距，及时对吊环进行安装，吊环安装在巷道最前方两排锚杆的外露部分，每排吊环的数量为3 个，共计2 排；安装完毕后穿过每排吊环安装一根横梁，在横梁基础上安装纵梁，横梁纵梁呈垂直关系，纵梁数量为3 根，相邻纵梁的间距为2.0 m，安装完毕后提升丝杠柱保证纵梁和顶板间的贴合，完成空顶区域的支护。丝杠柱空顶支护结构如图1 所示。

图1 丝杠柱空顶支护结构（单位：mm）

3.3 注浆锚杆支护方案

注浆锚杆是通过注浆的方式将破碎围岩周围的空隙进行充填，不仅提升了围岩的整体性，实现了锚杆的加固，也减少了掘进作业导致的顶板损坏现象。注浆锚杆支护对于锚杆整体均能起到锚固作用。所需的构件包括注浆锚杆、JW 型钢带、注浆软管、注浆泵和注浆材料。选取的注浆锚杆长度为3 500 mm，内部中空直径为14 mm，锚杆表面对称分布着两排圆孔，保证注浆的顺利流出，圆孔直径为10 mm；JW 型钢带长度为0.5 m，宽度为0.28 m；注浆软管直径为8 mm；注浆材料选用聚氨酯。

断层掘进过程中，在巷道顶板垂直于顶板进行钻孔，钻孔直径为30 mm、孔深为3.5 m，相邻孔的间距为1.2 m、排距为1.2 m，每排钻孔数量为4 个。钻孔完毕后放入注浆，将注浆软管的两端分别连接注浆锚杆和注浆泵，连接完毕后使用膨胀水泥进行封孔处理，注浆过程中压力保持在1.0 MPa，煤层产生渗浆现象后停止注浆。注浆锚杆支护剖面结构如图2 所示。

图2 注浆锚杆支护剖面图（单位：mm）

4 实施效果分析

为了验证优化后的支护方案实际效果，在巷道顶板布置离层监测仪，监测周期30 d，在巷道断层掘进期间进行实时监测。根据监测结果可知，采用优化后的联合支护方案后，0～6 d 期间顶板变形量逐渐增加，最大位移量为118 mm；6～16 d 期间顶板应力变化较小，位移量变化较小；16 d 之后顶板应力趋于稳定，位移量几乎不变，离层冒落现象得到了很好的控制。

5 结语

潞安化工集团A 矿2103 运输巷，在现有支护方案下过F3 断层时存在顶板冒落等现象，降低了巷道的掘进效率，掘进速度仅为1.7 m/d，并且施工安全难以保障。采用本文提出的联合支护方案后，顶板位移量控制在120 mm 以内，冒落、破碎现象也显著减少，掘进速度提升至4.5 m/d，实现了巷道过断层期间的支护要求，对于巷道断层的支护研究有着借鉴意义。