煤巷掘进过断层破碎带超前支护研究

林利军

(山西汾西矿业集团公司 安全监察中心，山西 介休 032000)

断层是影响煤炭回采效率及生产安全的常见构造类型，巷道在断层影响区内掘进期间，特别是断层具有一定导水性时，巷道掘进迎头容易出现淋水、冒顶、围岩变形量大等问题[1-2]。注浆是封堵断层破碎带内导水裂隙、提高破碎煤岩体稳定性及强度的主要技术方法[3-5]。巷道围岩支护中最为常用的支护手段即为锚网索支护，将锚网索与U型架棚共同作业，可起到较好控制围岩变形的目的[6-10]。山西某矿+350运输巷掘进期间揭露有DF16断层，过断层破碎带时面临围岩破碎、顶板冒落、支护困难以及淋水等问题。为此，文中根据现场情况并结合以往类似情况处理经验，提出采用超前注浆+预应力锚索+U型架棚支护方式，有效解决断层破碎带涌水以及围岩变形量大等问题。

1 工程概况

+350运输巷沿着开采的6号煤层顶板掘进，巷道设计断面为直墙半圆拱型，巷道掘进区域埋深平均320 m.现开采水平煤层无突出危险性，6号煤层原始瓦斯含量3.9～5.2 m3/t、瓦斯压力为0.37～0.42 MPa.+350运输巷为直墙半圆拱断面，掘宽、掘高分别为5 720 mm、4 680 mm，原设计采用锚网喷方式，表层喷射厚度120 mm混凝土。根据现有资料显示，+350运输巷掘进揭露有DF16断层(H=3～15 m，185°∠39°)，具体见图1.在DF16断层影响区内构造应力集中、煤岩体破碎，煤层局部位置倾角出现变化，预测断层破碎带宽度约为12 m.+350运输巷掘进过DF16断层期间顶板为厚度3.7～9.4 m的砂质泥岩、底板为厚度6.2～7.5 m的铝质泥岩。

图1 DF16断层剖面图

2 施工技术方案

根据DF16断层的实际情况，提出采用预注浆+预应力锚杆(索)+U型架棚方式封堵潜在的导水裂隙并控制围岩。在巷道掘进至距离DF16断层30 m时，即在掘进迎头砌筑混凝土止浆墙，后向断层破碎带进行超前注浆，待浆液完全固结且封堵导水裂隙后，方可继续掘进。在断层破碎带内布置的U型架棚支护间距控制在1.5 m.

2.1 混凝土止浆墙布置

在掘进迎头布置止浆墙提高注浆安全系数，避免注浆期间出现涌水或者漏浆等事故。止浆墙厚度为2 m，砌筑材料为C30混凝土，分层砌筑(分层厚度400 mm以内)，并振捣密实；为封堵止浆墙与定板间缝隙，在接茬处喷射C25混凝土。止浆墙施工前在砌筑位置巷帮及底板开槽，开槽后巷道宽度为6 720 mm、高度为5 680 mm.具体施工的混凝土挡墙结构见图2.

图2 混凝土挡墙结构示意图(mm)

2.2 注浆钻孔布置及注浆参数设计

2.2.1 注浆钻孔布置

为避免巷道掘进过DF16断层破碎带时出现淋水问题，提出通过超前注浆方式封堵导水裂隙并提高破碎岩体稳定性。注浆钻孔沿着巷道轴向布置，见图3.布置的钻孔孔深统一为60 m、孔径为85 mm；在钻孔孔口处布置孔径130 mm(外径130 mm、内径108 mm)、长度4 500 mm的孔口管。

图3 注浆钻孔布置示意(mm)

2.2.2 注浆参数

注浆浆液为水泥单液浆，注浆水灰比配比有3种，分别为0.75∶1、1∶1及2∶1，具体水泥浆配制见表1.在水泥浆中添加一定量的水玻璃改善水泥浆性能，采用的水玻璃模数及浓度分别为2.4～3.0、35～42 Be.

表1 注浆浆液配备

在断层破碎带内注浆时注浆压力设定为5 MPa，具体注浆浆液注入量可通过下述公式计算：

(1)

式中：Q为注浆钻孔注入量，m3；A为注浆浆液消耗系数，取1.5；H为注浆钻孔孔深，取60 m；R为注浆浆液有效扩散距离，断层破碎带内取5 m；n为断层破碎带孔隙率，取5%；β为注浆浆液充填系数，取0.95；N为注浆钻孔数量，取5个；m为结石率，取85%.将上述参数带入公式(1)中即可求得注浆总量约为2 000 m3.

2.3 围岩支护设计

在过断层破碎带时采用预应力锚杆(索)支护围岩，并采用短掘短支工艺降低巷道掘进难度并控制围岩变形量。支护用锚杆为螺纹钢锚杆(D22 mm×2 200 mm)、间排距均为700 mm，锚索为钢绞线(D21.8 mm×7 500 mm)、间排距1 600 mm×1 800 mm.锚杆、锚索施加预紧力分别为50 kN、120 kN以上。

2.4 架棚支护

过断层破碎带时用的U型钢强化破碎围岩表面支护强度。巷道掘进后即刻喷射厚度50 mm、强度C20的混凝土，通过除喷封闭巷道表面裂隙并给围岩一定支护强度；随后架设U型钢支架控制围岩变形，采用的U型钢支架规格为5 500 mm×4 700 mm.顶梁两端搭接至棚腿弯曲部，搭接长度控制在450 mm；上顶梁时采用木板、钢管及管扣架设施工平台。架棚架设时应确保钢棚间附件、拉杆等设备齐全，U型钢采用混凝土板与顶板及巷帮背实。

3 围岩控制效果分析

在+350运输巷掘进过DF16断层破碎带时，综合使用超前注浆、预应力锚杆(索)以及钢架棚等支护方式对破碎带围岩进行控制。支护完成后对巷道围岩变形进行监测，具体监测结果见图4.从监测结果看出，对断层破碎带进行注浆、锚网索及架棚支护后，巷道在支护初期(支护完成10 d内)围岩变形速度较大，顶板及巷帮最大变形速度分别为2.6 mm/d、4.5 mm/d；随着支护时间增加，围岩变形速度呈不断降低趋势，支护完成40 d后顶板及巷帮变形速度均降低0.02 mm/d以内；顶板及巷帮最大变形量分别为53 mm、92 mm，围岩变形量在允许范围内，不会影响巷道后续使用。

图4 围岩变形统计结果

4 结 语

1) +350运输巷掘进期间会揭露DF16断层，通过前期物探资料显示，该断层破碎带具有一定导水性，由于6号煤层顶底板含水层富水性较差，预计巷道掘进过该断层破碎带时围岩涌出量较小。由于6号煤层顶底板岩性以泥岩为主，遇水后容易出现弱化、崩解等问题，给巷道掘进带来较大影响。为此，提出采用超前注浆+预应力锚杆(索)+架棚方式控制断层破碎带围岩。

2) 依据现场条件对注浆钻孔布置、注浆参数、预应力锚杆(索)及架棚等支护参数进行设计，并进行工程应用。应用后，巷道在破碎带掘进时,围岩未出现淋水情况、掘进迎头未出现顶板冒落，同时支护后40 d时,围岩变形即趋于稳定，围岩变形量整体较小。