厚煤层巷道掘进冒漏分析及安全支护技术研究

李波睿

（晋能控股煤业集团宏泰矿山工程建设大同有限公司，山西 大同 037000）

0 引言

在巷道掘进中，由于断层的作用，使原有的岩石失稳和围岩的力学特性发生变化，使断裂区周围的岩体产生了明显的应力，这些应力集中体现在顶板破碎、断裂、下沉、局部渗漏、底板隆起、两帮片帮和收敛等现象。常规的锚杆（索）在变形的围岩支护中存在着锚固性不强、失效率高等问题。基于此，对晋能煤炭集团公司2106 巷段进行了现场调研和深入研究，探究了导致巷道穿越断层出现顶板漏水的具体原因，针对巷道施工特点，采用了合理、高效的围岩综合防治技术，确保了工作面的安全，防止泄漏区域的面积持续扩大。

1 2106 巷概况

以晋能煤业集团公司2106 井巷为研究对象，该井巷在301 盘区3 号煤系南部，北部为实煤区，西侧为盘区回风巷、轨道巷、皮带巷，南部为8108，东侧为矿界煤柱。2106 井段的设计长度为144.6 m，采用石炭3 号煤为主，煤层厚为10.42～11.37 m，煤层中存在着多层夹矸，夹矸厚度一般为0.72 m，且夹矸的分布不均匀。煤层为稳定煤层，即煤体的特征和结构能保持长时间的稳定，表1 列出了煤层顶底板的岩性。

表1 3 号煤层顶底板岩性

2106 巷道截面为矩形，宽度5500 mm、高度4000 mm，截面积22.0 m2，通过150 mm 混凝土实施路面硬化。

2 巷道掘进现状及问题分析

2.1 巷道掘进现状

1）巷道联合支护的结构为锚杆（索）+W 型钢带，见图1。2106 井巷顶板采用了W 形钢带和锚索结合的方法。每行设置6 个直径20 mm、长度2.0 m 的锚杆，每个锚杆之间间隔1.0 m、排距1.2 m。W 型钢的长度是5.2 m，宽度是0.25 m。在每开挖3 m 的情况下，在顶板上设置3 个单锚，相邻两个锚索之间的距离为2.0 m，锚索的长度为5.0 m、直径17.8 mm，锚杆与长、宽0.3 m 的钢梁组合支撑[1]。在2106 巷巷帮中，采用了单锚杆和金属网支护技术。巷道内设置4 个直径18 mm、长度2.0 m 的单锚杆，在锚杆暴露的一端设置1 条长度为0.4 m、宽度为0.25 m 的“W”形钢，每条锚杆之间的间距为1.0 m。

图1 2106 巷围岩支护断面示意图（单位：mm）

2）2106 井巷掘进过程中采用机械化施工，目前已经完成的掘进深度为572 m，当掘进深度为560 m时，井巷中出现掘进断层现象，断层位置的高为1.9 m，断层的倾斜角度为65°，与巷道的夹角为67°，角断层的出现造成了巷道长达52 m 的地方受到影响。在掘进560 m 的时候，顶板破裂，在562 m 的位置发生了1 次泄漏，冒漏区域为高1.2 m、宽2.3 m，当发现冒漏时，通过大量锚索加固抑制冒漏区域的进一步扩大，防止冒漏现象的加剧。在568 m 的巷道中，冒漏区发生了二次泄漏，冒漏高3.5 m、宽3.7 m、长4.0 m，可以发现冒漏区的形状不规则，并且周边煤岩的稳定性较低，造成冒漏区难以实施支护，或者支护实施完成后效果和预期有较大差距[2]。

2.2 顶板冒漏机理

1）煤层赋存差。2106 井巷为全煤巷，3 号煤层结构的复杂性较高，通过调研发现，煤层内部夹研层数较多，使得煤层的结构遭受严重的破坏，造成当前区域煤层抗压强度和正常值相差较大。巷道的截面形状是矩形，在巷道施工中，顶板与巷帮间的肩角煤容易发生不稳，使得煤体之间相对摩擦比较小，难以保持稳定，肩角煤柱容易发生垮塌，造成使得两帮煤柱的稳定性下降。由于结构的不稳定，顶板手里结构容易产生变化，从而会影响顶板的稳定性。

2）地质构造影响。F7 断层的侵入极大地影响了2106 巷的结构，断层使得巷道内部的连续稳定性受到严重的破坏，在断层前后的位置，巷道的构造应力沿着掘进空间和断裂下的卸压释放。在卸压时，由于构造应力的作用，使煤岩发生了横向剪切破坏，使断层带附近的煤体发生了脆性断裂和局部的硅化。

3）掘进工艺影响。2106 井巷沿3 号煤层的底板开挖，开挖深度4.0 m，预留煤层7.37 m。在掘进过程中，虽然在稳定性控制方面做了很多的工作，采用大量的锚杆（索）对巷道进行加固。但是，由于固有的结构应力，再加上岩体自身重力的耦合作用，使得煤体出现断裂和破碎的概率加大，顶煤的承载能力降低。

4）支护强度不足。传统顶板的主要结构是锚杆（索），利用维修过程中锚杆（索）的预应力提供支护。在实施2106 井巷的掘进过程中，由于顶煤的稳定性遭到破坏，顶板容易出现破碎，进一步造成了围岩的松动，导致锚杆（索）的锚固处的稳定性得不到有效保障，则支护的质量较容易受到影响。

3 冒漏区支护技术

针对2106 井巷冒漏区围岩采用“注锚加固+人工假顶填充+密集钢棚”的综合加固技术，能够有效防止冒漏区的面积持续扩大，同时也能够进一步提升围岩的稳定性，避免了有害气体的含量超过安全阈值。

3.1 注浆加固

1）注浆加固目的。当2106 巷出现冒漏现象以后，及时对附近的裂缝岩体进行注浆，使浆液渗入裂缝区域，填充、黏合裂缝，加强了裂缝岩体的整体稳定，形成了柔性的人工支护结构，提高了岩石的抗压能力，并有效的避免了再一次出现渗漏。

2）注浆材料及设备。本文中采用注浆的设备为气动注浆泵，具体型号是2ZBQS7/12，在额定的工作状态下，气动注浆泵的工作压力为12 MPa，供气压力0.5 MPa，能够完成7 L/min 的注浆。该注浆泵可以通过多种介质进行压力传递，如泥浆、压缩空气等，注浆泵具备结构简单、性能可靠的特征，同时能够实现闭环调节。注浆料的主要成分是聚氨酯和固化剂，且两者之间的比例为1∶1，它的特点是勃度低，具有很强的渗透能力，能够在短时间内凝固，凝固时的加热温度可达90 ℃，发生自燃的可能性较低[3]。

3）注浆工序。对冒漏区和冒漏区后10 m 处的顶板进行注浆孔施工。在冒漏区，沿着冒漏区的顶板周围设置了注浆孔，钻孔深度为4.0 m，冒漏区向后10 m处的灌浆钻孔深度为3.0 m，井眼的排列间隔为2.0 m；灌浆过程中，从内到外依次进行灌浆，按单孔灌浆顺序：安装注浆软管—安装封孔器—连接注浆泵—开启注浆泵。注浆需要满足的技术条件是每次注浆单孔注浆量不少于45 kg，注浆压力保持再1.5 MPa，注浆时间为15 min。

3.2 人工假顶施工

首先通过在注浆的方式对工作面进行补强，然后在工作面上进行人工假顶和组合锚索的施工。

1）冒漏区的面积和高度都很大，在冒漏区下面设置3 个锚索吊棚，以改善冒漏区的假顶稳定性。吊棚长度4.2 m，吊棚采用2 条4.0 m 长的缆绳进行吊装，吊棚垂直于两帮，每隔1.5 m 设置1 个吊棚。在完成吊顶后，吊顶和顶板之间的间隔应为0.1 m。

2）在冒漏区锚索吊顶完成后，先在吊顶上铺设钢筋网、风筒布，然后在铺设工作面进行双组“井”的木垛的架设。木垛安装完后，要紧密地接触冒漏区的顶板。

3）在工程完成后10 m 以内，采用复合锚索进行补强。该组合锚索主要包括1 块宽、长0.5 m 的钢板和3 条长0.3 m、直径21.8 mm 的恒阻锚。两组组合锚索，在每列中分别设置2.0 m 间距和3.0 m 排距的间隔，见图2。

图2 2106 巷冒漏区联合支护施工示意图（单位：mm）

3.3 梯形钢棚加固

在冒漏区进行围岩注浆、假顶施工等环节时，为了避免施工影响到正常的巷道掘进进程，造成假顶区塌陷，在560 m 处利用梯形钢棚对冒漏区的顶部进行进一步加固。

1）梯形钢棚由多个模块组成，包括顶梁、棚腿、吊索、底座、连接杆等部件。顶梁长5.2 m，顶梁焊接14号槽钢，在顶部梁两端焊接1 套30 mm 的圆形孔洞。棚架采用U29 型钢架焊接，每个棚架的组成为2 根U29 型钢，每根型钢的长为2.5 m。

2）按照下述的流程进行梯形棚架的安装：底座—棚腿—顶梁。钢棚在安装过程中需要注意和顶梁的角度控制在75°，钢棚的基底通过地锚和地面紧密连接起来，每2 个钢棚的间距为1 m。所有钢棚在安装完毕后，在2 个相邻的钢棚支架之间设置一套用连杆加固。

4 结论

1）注浆法对冒漏区围岩的抗压强度由显著提升作用，实践表明，采用注浆法使得裂缝岩体的单轴抗压强度从20 MPa 增加到38.7 MPa，使原岩的强度得到明显的增强，裂缝带的扩展得到了有效的补充，有效地控制了围岩的松动圈。

2）对冒漏区进行假顶施工，施工完成后，可以有效提升区域加固效果，漏区顶板的岩体稳定得到提高，避免了由于掘进时的掘进干扰和围岩的蠕动，有泄漏区域扩展的情况。在完成冒漏区填充以后，能够显著地减少周边围岩与大气的接触发生氧化的反应。

3）梯形钢棚在适应不同应力的能力比常规的矩形钢棚更具优势，通过棚腿迎山角的调节可以应用于各种复杂条件下的围岩支护，变形率低，支撑强度高。在冒漏区设置梯形钢棚后，围岩的应力对煤柱剥离和破坏起到了一定的抑制作用。由于采用了阶梯钢棚，减少了冒漏区围岩的压力对煤柱的剥脱和破碎，从而改善了两组煤柱的稳定和防止了肩角煤柱的崩塌。