山西塔山煤礦2203巷掘進過斷層帶聯合支護方案設計

陳　吉

(山西宏宇誠鑄建設工程有限公司)

巷道在掘進期間會經常遇到斷層、陷落柱、地塹等地質構造，受構造應力及采動壓力的影響，掘進巷道頂板會出現破碎現象，頂板一定范圍內會形成破碎松動圈，松動圈內巖體成破碎狀，膠結穩定性差且極易發生塑性變形，大大提高了巷道破碎頂板的維護難度，若支護方案選擇不合理、支護措施不到位，極易發生礦井重大安全事故(如頂板大面積垮落等)[1-5]。因此，在巷道掘進通過構造帶時，有必要預先了解巷道頂板巖性及破碎情況，根據實際生產情況制定合理有效的巷道掘進支護方案[6-7]。本研究以山西塔山煤礦2203巷為例，通過分析該巷道在掘進通過斷層帶時原支護方案存在的不足，并重新設計聯合支護方案，為確保巷道安全、快速掘進，提高巷道破碎頂板穩定性提供有力保障。

1　工程概況

塔山煤礦位于大同市南郊區以南15 km，礦井設計生產能力為30 Mt/a，采用平硐開拓方式，礦井內共分4個盤區，分別為一盤區、二盤區、三盤區以及雁崖擴區，盤區回采煤層為3-5#石炭系煤層，煤層平均厚度為11 m。

2203巷位于井田二盤區南翼，巷道以南為實煤區，巷道以北依次布置有盤區回風巷、盤區輔運巷、盤區皮帶巷，巷道以東為8202工作面，以西為8204工作面。2203巷設計長度為1 401 m，巷道斷面規格為5.5 m×3.6 m(寬×高)。由于3-5#煤層內含有多層矸石，其中位于3.6～4.9 m處含有1層碳質泥巖，2203巷沿該巖石層平行掘進。該巷采用綜合機械化掘進施工工藝，截至目前已掘進640 m。

根據塔山礦相關地質資料，2203巷掘進至650 m處將揭露1條正斷層F3，斷層落差為2.4 m，斷層傾角為55°。施工巷道掘進至610 m處時頂板出現了局部破碎、煤壁片幫現象，頂板壓力明顯加大，隨著該巷不斷延伸頂板出現了大面積破碎現象；巷道掘進至640 m處，頂板出現了冒頂現象，最大冒落高度達到1.1 m。可見該巷道原支護方案無法滿足需要，巷道掘進被迫停工。為確保該巷道能夠安全快速掘進通過F3斷層帶，有必要對巷道原支護方案的不足進行分析，并重新設計支護方案。

2　2203巷頂板原支護方案及存在問題

2.1　2203巷頂板原支護方案

2203巷頂板原支護方案的主要內容為：①2203巷為矩形斷面，原支護方案中巷道頂板采用錨桿、錨索、鋼帶、金屬網進行聯合支護，護幫采用單錨桿進行支護；②頂板錨桿采用長度為2.0 m，直徑為20 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置6根，錨桿間距為1.0 m，排距為1.0 m；③頂板鋼帶長度為5.3 m，每根鋼帶焊制6個直徑為25 mm的圓孔，圓孔間距為1.0 m，鋼帶與錨桿配套使用(圖1)；④頂板單錨索采用長度為5.3 m、直徑為17.8 mm預應力鋼絞線，每排施工3根錨索，錨索間距為2.0 m，每隔4排鋼帶施工1組單錨索；⑤頂板金屬網采用8#鉛絲編制的菱形方格網，金屬網規格為6.0 m×1.2 m(長×寬)，網間搭接寬度為0.2 m；⑥頂板錨索采用2支型號為MSZ23/60型錨固劑進行錨固，錨固長度為0.9 m，錨桿采用1支MSZ23/60型錨固劑進行錨固，錨固長度為0.55 m[8-10]。

圖1　2203巷原支護設計斷面(單位：mm)

2.2　問題分析

(1)2203巷設計高度為3.6 m，巷道掘進煤層厚度為11 m，巷道頂板預留煤層厚度為7.4 m，當施工巷道在揭露F3斷層時頂板出現冒落現象，平均冒落高度為1.2 m，冒落后頂板預留煤層厚度為6.2 m。原支護方案中設計的錨索長度為6.3 m，采用該錨索支護頂板時錨索的錨固端處于煤層與直接頂交界處，受構造應力影響，錨索錨固效果差，且錨索直徑為17.8 mm，錨索屈服強度低，在斷層帶附近頂板壓力加大，錨索便出現拉斷現象。

(2)施工巷道掘進煤層為石炭系煤層，煤層發育不穩定，煤層膠結穩定性差，巷道頂板巖層成破碎狀態，若僅采用單一錨桿、錨索支護后，頂板塑性變形會較嚴重，巷道頂板隨著時間推移下沉量逐漸加大，不僅威脅著巷道施工安全，而且不利于后期頂板維護。

(3)在揭露斷層帶期間，巷道頂板的破碎深度為0～2.0 m，而原支護方案中頂板的錨桿設計長度為2.0 m，錨桿錨固端位于頂板破碎巖體內，不僅支護難度大，而且支護效果差。

(4)原支護方案中錨桿、錨索均采用中速型錨固劑(MSZ型)，完全錨固時間為10～15 min。巷道在過斷層帶時頂板出現了破碎、離層現象，中速錨固劑錨固效果差且錨索、錨桿的錨固長度相對較短，無法滿足生產需要。

3　聯合支護方案設計

為確保2203巷掘進過斷層帶施工安全及提高頂板穩定性，本研究設計采用以施工交錯式懸吊鋼帶、注射膨脹劑、架設π型鋼棚為主的聯合支護方案。

3.1　永久支護優化設計

為提高錨索支護效果，巷道在過斷層帶期間，將原支護方案中的錨索更換為長度為8.3 m、直徑為21.6 mm預應力鋼絞線，錨索排距縮短為2.0 m。在巷道掘進過F3斷層帶期間，采用長度為3.0 m加長錨桿代替原支護設計中的錨桿，使得錨桿的錨固端位于穩定煤巖體內，提高錨桿的支護效果。為提高錨桿、錨索的錨固強度，頂板錨桿(索)采用型號為快速型(MSK)及超快型(MSKC)錨固劑，即每根錨索采用2支MSK23/80型和1支MSKC23/60型錨固劑，錨固長度不宜小于1.8 m；每根錨索采用1支MSK23/80型和1支MSKC23/60型錨固劑，錨固長度不宜小于1.2 m。

3.2　施工交錯式懸吊鋼帶

2203巷掘進至640 m處頂板永久支護施工完畢后，施工交錯式懸吊鋼帶(縱橫鋼帶交錯布置)，每根鋼帶采用4根錨索進行懸吊。首先在頂板施工4根單錨索，錨索長度為3.5 m，錨索間距為1.6 m，錨索外露長度為1.5m，錨索排距為2.0 m。當3排錨索施工完畢后在其下方吊掛鋼帶，橫向鋼帶垂直于施工巷道布置，鋼帶長度為5.0 m，鋼帶上焊制4個圓孔，圓孔間距為1.6m，橫向鋼帶排距為2.0 m。沿巷道掘進方向吊掛3根縱向鋼帶，縱向鋼帶長度為4.5 m，鋼帶上焊制3個圓孔，圓孔間距為2.0 m，縱向鋼帶排距為1.6 m(圖2)。縱橫鋼帶成“井”字型布置，鋼帶吊掛位置位于巷道設計頂板處，鋼帶吊掛后在其上方依次鋪設風帶、金屬網。

3.3　注射膨脹劑

為防止破碎頂板發生塑性變形，交錯式鋼帶懸吊后，在鋼帶與頂板之間注射膨脹劑。2203巷填充的膨脹劑主要為羅克休產品，該產品主要由樹脂和催化劑以4∶1的體積比相混合而成。2203巷采用型號為ZQB-5-6Q氣動注漿泵注射羅克休膨脹劑，采用礦井壓風作動力，壓力不宜小于0.4 MPa。頂板破碎區域填充羅克休后，能夠在極短時間內快速反應生成泡沫，發泡后體積快速膨脹達到原體積的25～30倍，膨脹后在數分鐘內硬化。

圖2　2203巷交錯式懸吊鋼帶平面示意(單位：mm)

3.4　架設π型鋼棚

π型鋼棚主要由π型頂梁、棚腿以及底座組成，鋼棚成矩形，π型頂梁長度為5.2 m，棚腿長度為3.5 m，棚腿中部及頂梁中部分別焊制1個直徑為25 mm圓孔，底座采用規格為0.4 m×0.4 m×0.08 m(長×寬×厚)鋼板焊制而成。破碎頂板處膨脹劑注射后，應及時在其下方架設π型鋼棚，首先安裝鋼棚底座，底座安裝于巷道底板平穩位置，并采用地錨將其與底板進行固定。鋼棚底座安裝后分別安裝兩側棚腿，棚腿與底座之間采用雙向固定螺母進行連接，螺母預緊力不宜小于150 N·m。為確保棚腿穩定牢固，在每根棚腿中部施工1根錨桿將其與巷幫進行固定(圖3)。

當棚腿安裝后在2根棚腿之間安裝π型頂梁，頂梁與棚腿之間采用卡纜進行固定連接并進行預緊，預緊力不宜小于200 N·m，頂梁安裝后在其中施工1根固定錨桿將其與頂板進行固定。π型鋼棚間距為1.0 m，鋼棚與鋼棚之間采用連接桿進行固定連接，在過F3斷層帶期間共需架設20架π型鋼棚。為保證鋼棚與巷道頂板及巷幫接觸嚴實，鋼棚架設后在鋼棚與巷道間隙處填充水泥背板，水泥背板長度為1.2 m，寬度為0.4 m。

4　結　語

為確保塔山礦2203巷安全快速掘進通過斷層帶，針對該巷道在掘進初期出現的巷道圍巖不穩定現象，詳細分析了巷道原支護方案存在的問題，并重新設計了包含施工交錯式懸吊鋼帶、注射膨脹劑、架設π型鋼棚的聯合支護方案。實踐表明，該方案應用后使得2203巷順利掘進通過了斷層帶，有效確保了巷道頂板穩定，可供類似礦山巷道掘進支護設計借鑒。

圖3　2203巷掘進過F3斷層帶時的聯合支護斷面(單位：mm)

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