协同支护技术在断层破碎区中的应用

兰鹏飞

（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西 大同 037001）

1 2210 巷概况

燕子山矿2210 巷井下位于C3 号层302 盘区，西部为实煤区，南部为实煤区，东部为302 盘区巷，北部为实煤区。

巷道从3 号层302 盘区轨道巷开口，巷道走向长度2100 m，已掘96 m。巷道沿3 号层稳定煤层底板掘进，掘进断面规格为4.0 m（宽）×3.3 m（高），巷道断面为矩形。C3 号层302 盘区2210 工作面煤层结构复杂，厚度稳定，煤层有益厚度为4.48～8.23 m；有3～11 层0.13～2.53 m 的夹石，平均厚度0.30 m；全厚为6.64～11.9 m，煤层属厚煤层，变异系数27.85%，系较稳定煤层；煤层大致走向东北，倾向东南，倾角为-1°～+3°，煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 2210 巷掘进的4 号煤层顶底板岩性

C3 号层2210 巷预计在掘进过程中120 m、670 m处可能会揭露落差为2.2 m、1.2 m 的正断层，对掘进有一定影响；巷道目前已掘进至114 m，通过钻探确定巷道120 m 存在F5 断层，落差为2.0～2.4 m，受断层影响，巷道掘进110 m 后顶板开始出现破碎现象，原顶板支护效果差，局部出现冒漏。

2 近距离采空区下协同支护技术

2.1 超前管棚支护

巷道掘进过程中受超前应力作用巷道迎头煤壁出现严重垮落现象，掘进后最大空顶距达2.7 m，采用传统丝杠式前探梁临时超前支护效果差，很容易出现顶板冒漏，所以巷道掘进前对迎头施工一排超前管棚支护。

1）顶板施工超超前管棚支护体采用长度为3.5 m、直径为30 mm 无缝中空钢管焊制而成，钢管壁厚为5 mm，中部孔直径为20 mm，在钢管壁上布置3 排直径为5 mm 卸压小孔，孔间距为0.3 m，超前管棚端头设置为丝扣结构，丝扣长度为0.3 m[1-2]。

2）巷道迎头每排布置10 根超前管棚，管棚支护体布置间距为0.5 m，布置仰角为3°，对于严重破碎区顶板管棚施工后无法固定时在端头安装一个固定套头，并采用锚杆将其固定在巷帮上。

2.2 注浆锚索支护

由于受断层应力破坏作用，顶板出现裂隙带且与上覆采空区导通，导致顶板断裂严重、承载强度低，施工锚杆（索）支护后锚固效果差，支护失效率高，所以决定对顶板施工注浆锚索支护。

1）注浆锚索代替原顶板单锚索，注浆锚索主要由中空锚索、止浆塞、注浆管等部分组成；中空锚索采用9 股直径为5 mm 钢丝反麻花式编制而成，中空直径为8 mm，锚索直径为25 mm，中部孔内安装1 根注浆钢管，锚索长度为8.3 m，锚索端头为楔头芯杆结构，在端头布置主出浆孔和辅助出浆孔，如图1 所示。

图1 注浆锚索结构示意图

2）在注浆锚索端头采用直降塞进行封堵，锚索外端头安装托盘及锁具，将注浆软管插入锚索中部孔内，软管一端与专用注浆泵连接，注浆材料选用马丽散与催化剂混合的浆液[3-4]。

3）应力区顶板每排布置3 根注浆锚索，锚索布置间距为1.8 m，布置排距为3.0 m，锚索外露端安装拱形预应力托盘，锚索预紧力为370 kN，锚索注浆压力为6.5 MPa。

2.3 桁架锚索支护

由于受断层牵引作用巷道进入断层区后顶板主要受垂直应力作用，在垂直应力持续作用下位于岩层深部的锚杆（索）锚固段围岩出现破裂，导致支护失效，所以决定对应力区顶板施工桁架锚索支护，削弱垂直应力作用[5]。

1）2210 巷顶板施工的桁架锚索主要由桁架锚索、垫片、拉紧器、圆钢托架等部分组成，如图2 所示，桁架锚索长度为4.0 m、直径为17.8 mm，同一组锚索布置间距为2.0 m、排距为3.0 m。

图2 2210 巷断层区协同支护示意图（单位：mm）

2）桁架锚索施工工序如下：首先在巷道应力区顶板施工一组桁架锚索支护孔，孔对称布置，深度为4.0m，直径为25 mm，锚索与顶板布置斜角为75°；钻孔施工后对钻孔内安装3 支锚固剂，然后安装锚索并通过钻机进行搅拌锚固，锚索安装后外露长度控制在0.25m；同一组锚索安装后在锚索外露端依次安装圆钢托架、张拉器，在托架与顶板之间安装垫片，最后对锚索施加水平张拉力。

2.4 架设矩形钢棚

为了进一步提高顶板稳定性，解决因构造应力作用下两帮煤柱支撑强度降低，导致顶板出现下沉、断裂等技术难题，决定对构造区架设密集矩形钢棚。

1）架设的矩形工字钢棚主要由U29 型钢棚腿共计2 根、槽钢顶梁1 根、底座2 个、拉杆2 根、卡缆若干个；其中棚腿长度为3.2 m，顶梁长度为4.2 m，拉杆长度为1.0 m。

2）工字钢棚架设工序：首先在架棚区平整巷道底板，确保底座安装在坚硬底板上，底座采用地锚进行固定；底座安装后依次安装棚腿、顶梁，棚腿与底座之间采用螺栓进行固定，棚腿与顶梁之间采用卡缆进行固定；待顶梁安装后在相邻2 架钢棚棚腿之间采用拉杆进行固定。

3 实际应用效果

2210 巷过断层应力区时对应力区巷巷道顶板114 m 处和120 m 处分别安装了一套数显离层仪以及一侧帮部变形监测仪，测点编号分别为1 号、2 号，并进行30 d 现场观察，取得了以下显著应用成效：

1）通过现场观察发现，在未采取联合支护的1 号测点巷道掘进后在前10 d 范围内围岩出现严重下沉、变形现象，最大下沉量达270 mm，锚杆（索）失效率达19%；在10～25 d 范围内顶板下沉速率逐渐减小；在25 d 后顶板趋于稳定，实测顶板最大下沉量为360 mm，在25 d 后围岩与支护实现局部耦合支护作用。

2）采取协同支护技术后巷道在前7 d 范围内同样出现蠕动变形，变形量为120 mm；在7～12 d 范围内顶板变形速率降低；在12 d 后顶板区域稳定，顶板最大变形量为170 mm，顶板锚杆（索）失效率为3%，采用协同支护后蠕动变形顶板提前实现了耦合支护作用。

3）2210 巷断层区采取协同支护后，保证了巷道掘进安全，降低了巷道修复量及劳动作业强度，减少巷道维修费用达17.9 万元，巷道掘进速度由原来的2.4 m/d 提高至6.0 m/d。

4 结语

燕子山矿对2210 巷掘进过断层区时提出了以超前管棚、注浆锚索、桁架锚索、工字钢棚为一体的协同支护技术，通过现场实际应用效果来看，协同支护技术解决了大应力围岩支护质量差、围岩变形控制效果差、巷道掘进效率低、危险系数高等技术难题，实现了巷道过断层应力区安全快速掘进的目的，为类似地质条件下巷道掘进提供了实践依据。