煤巷掘進(jìn)斷層帶頂板變形控制措施效果分析

薛少峰

（山西汾西正令煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300）

1 概述

山西汾西正令煤業(yè)有限責(zé)任公司位于孝義市西南，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.9 Mt/a，服務(wù)年限為25.2 a，井田內(nèi)分三個(gè)采區(qū)，目前回采煤層為2#煤層一采區(qū)。

2110巷位于一采區(qū)北翼，服務(wù)于2110首采工作面，巷道以東為實(shí)煤區(qū)、以南為采區(qū)三條大巷（一采區(qū)回風(fēng)巷、一采區(qū)軌道巷、一采區(qū)運(yùn)輸巷），巷道以西為實(shí)煤區(qū)。2110巷設(shè)計(jì)長度為為1750 m，沿2#煤層底板平行掘進(jìn)，2110巷為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=4.0 m×2.6 m，掘進(jìn)工作面煤層平均厚度為1.52 m，半煤巖巷掘進(jìn)。2110巷直接頂炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為4.7 m，該巖石層發(fā)育不穩(wěn)定，易破碎；基本頂主要以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為5.4 m，在直接頂與基本頂交界處含一層1#煤層（不可采），平均厚度為0.63 m，截至目前2110巷已掘進(jìn)完成。

根據(jù)正令煤礦地測科提供資料顯示，2110巷在掘進(jìn)至1740 m處揭露一條F10-c2正斷層，斷層落差為2.3 m，傾角為33°，巷道在掘進(jìn)至斷層帶附近時(shí)受構(gòu)造應(yīng)力影響，巷道頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象。隨著時(shí)間推移，F(xiàn)10-c2斷層帶附近頂板壓力越來越大，2110巷出現(xiàn)頂板下沉、煤壁片幫等巷道變形現(xiàn)象，巷道最大移近量達(dá)0.45 m，嚴(yán)重威脅著工作面回采安全。對(duì)此正令煤礦通過技術(shù)研究，分析了斷層帶處頂板支護(hù)設(shè)計(jì)及存在的問題，并提出了合理有效的巷道變形控制措施。

2 F10-c2斷層帶處頂板支護(hù)設(shè)計(jì)及問題分析

2.1 F10-c2斷層帶處巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）頂板支護(hù)：巷道頂板采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂錨桿采用的是Φ20 mm×2200 mm螺紋鋼錨桿，每排施工5根，間排距為0.9 m×1.0 m；頂錨索采用的是Φ17.8 mm×6000 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排施工2根，間排距為：2.0 m×3.0 m。

（2）護(hù)幫支護(hù)：巷道兩幫采用單錨桿支護(hù)，共計(jì)施工3排護(hù)幫，護(hù)幫間排距為1.0 m×1.0 m，第一排護(hù)幫距頂板0.3 m，護(hù)幫錨桿外露端采用規(guī)格為長×寬×厚=0.45 m×0.25 m×0.04 m短鋼帶進(jìn)行預(yù)緊。

（3）頂板及護(hù)幫每根錨桿配套使用一支MSZ23/60型錨固劑，每根錨索配套使用一支MSZ23/60型及一支MSK23/35型錨固劑；所有錨桿外露端長度為10～30 mm，錨索外露長度為150～250 mm。

2.2 原支護(hù)設(shè)計(jì)在斷層應(yīng)力區(qū)中存在問題

（1）通過對(duì)2110巷斷層破碎區(qū)頂板施工離層觀測孔發(fā)現(xiàn)，巷道頂板破碎區(qū)域集中在頂板往上1.8 m范圍內(nèi)，巖石成破碎狀態(tài)，膠結(jié)穩(wěn)定性差，而原支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板采用的錨桿長度為2.0 m，錨桿錨固端處于破碎巖層內(nèi)，錨桿錨固質(zhì)量差，隨著頂板巖層不斷破碎，錨桿出現(xiàn)錨固失效現(xiàn)象。

（2）原支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板錨索長度為6.0 m，錨索錨固長度為0.95 m，錨索錨固端主要位于基本頂與直接頂之間，且中間夾雜一層薄煤層，受外力影響薄煤層處易出現(xiàn)離層現(xiàn)象，從而造成錨固質(zhì)量降低，很容易出現(xiàn)錨固失效現(xiàn)象。

（3）錨桿、錨索主要通過對(duì)整體巖塊進(jìn)行懸吊作用，從而達(dá)到支護(hù)目的，而2110巷受F10-c2斷層影響，頂板完成成破碎狀態(tài)，嚴(yán)重破壞了頂板巖層整體性，錨桿（索）支護(hù)無法實(shí)現(xiàn)整體巖層懸吊維護(hù)作用。

（4）由于F10-c2斷層距2110切巷距離僅為10 m，切巷寬度較大、暴露時(shí)間長，在切巷前方15 m范圍內(nèi)產(chǎn)生超前支撐應(yīng)力集中現(xiàn)象，斷層處頂板壓力加大，加快了巷道頂板變形、破碎速度，僅采用單一的錨桿、錨索支護(hù)不能滿足支護(hù)要求。

3 斷層處巷道頂板變形控制措施

為了進(jìn)一步提高斷層帶處頂板穩(wěn)定性，正令煤礦通過技術(shù)研究，決定對(duì)F10-c2斷層帶采取“注漿+人工假頂+鋼棚”聯(lián)合支護(hù)措施。

3.1 注漿施工

（1）當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層破碎帶區(qū)域時(shí)，在工作面距頂板1.0 m施工3個(gè)注漿鉆孔，鉆孔間距為1.5 m，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔與工作面成20°夾角布置，兩側(cè)鉆孔與巷幫成30°夾角布置，見圖1。

（2）鉆孔施工完后采用高壓注漿泵向其注射馬麗散混合液，待工作面及頂板破碎巖體出現(xiàn)漿液滲透現(xiàn)象時(shí)，停止注漿并及時(shí)封孔。

（3）注漿鉆孔封孔2 h后方可繼續(xù)掘進(jìn)，在掘進(jìn)期間發(fā)現(xiàn)仔細(xì)觀察巖體內(nèi)馬麗散漿液滲透情況，發(fā)現(xiàn)巖體內(nèi)漿液逐漸減少或完全消失后應(yīng)施工第二排注漿鉆孔并注漿，依次類推直至工作面過斷層破碎帶。

3.2 人工假頂施工

受構(gòu)造應(yīng)力及采動(dòng)壓力影響，斷層破碎帶頂板出現(xiàn)局部冒頂現(xiàn)象，冒頂最大高度為0.5 m，為防止冒頂區(qū)域不斷擴(kuò)大，決定施工人工假頂。

（1）首先在斷層破碎區(qū)域冒頂處施工兩根長度為4.5 m，直徑為17.8 mm錨索，錨索間距為1.8 m，錨索外露端長度控制在0.5 m左右。

（2）錨索施工后在其下方安裝一根長度為2.5m工字鋼梁，鋼梁懸吊位置與巷道設(shè)計(jì)頂板位置齊平，錨索梁間距為1.5 m。

（3）當(dāng)相鄰兩架錨索梁施工完后，在其上方鋪設(shè)半圓木，半圓木直徑為300 mm，長度為2.0 m，半圓木鋪設(shè)后必須確保與半圓木與冒頂區(qū)域頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

3.3 架設(shè)工字鋼棚

為進(jìn)一步提高人工假頂穩(wěn)定性，防止巷幫片幫，冒頂區(qū)域注漿且人工假頂施工完后，決定架設(shè)工字鋼棚。

（1）2110巷架設(shè)工字鋼棚成矩形斷面，鋼棚調(diào)節(jié)高度為2.0～2.8 m，鋼棚寬度為4.0 m，鋼棚主要由兩節(jié)棚腿及一節(jié)頂梁組成。

（2）鋼棚間距為1.0 m，每架鋼棚棚腿采用一根固定錨桿與巷幫固定，鋼棚架設(shè)完后在相鄰三架鋼棚之間鋪設(shè)四根工字鋼縱梁，縱梁長度為2.5 m，縱梁與工字鋼棚之間采用卡纜進(jìn)行固定。鋼梁鋪設(shè)完后逐漸抬高鋼棚高度，確保鋪設(shè)的縱梁與假頂面接觸嚴(yán)實(shí)。

（3）所有鋼棚架設(shè)完后，在鋼棚與巷幫之間填塞水泥背板，水泥背板長度為1.2 m，寬度為0.3 m，水泥背板填塞后確保背板與巷幫接觸嚴(yán)實(shí)，見圖1。

圖1 2110巷斷層破碎區(qū)頂板支護(hù)

3.4 其它支護(hù)措施

為了提高永久支護(hù)質(zhì)量，決定對(duì)2110巷原支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，頂板錨桿更換為長度為3.5 m，直徑為21.6 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為0.9 m×1.0 m；頂板錨索更換為長度為8.3 m，直徑為21.6 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為2.6 m×2.0 m；同時(shí)為了提高錨固質(zhì)量，頂板錨索全部采用MSKC23/35型（超快型）及MSKC23/60型（快速型）錨固劑，每根錨索配套三支錨固劑，一支MSK C23/35型，兩支MSKC23/60型。

4 應(yīng)用效果分析

1）過F10-c2斷層時(shí)采用注漿支護(hù)后通過鉆孔觀測發(fā)現(xiàn)，破碎煤體在馬麗散混合液作用下膠結(jié)成塊狀結(jié)構(gòu)，煤體堅(jiān)固性系數(shù)f由原來的0.2提高至1.4，提高了破碎煤體膠結(jié)穩(wěn)定性。

2）2110巷原支護(hù)優(yōu)化后，頂板錨桿、錨索錨固端位于破碎頂板上覆穩(wěn)定堅(jiān)固巖層中，通過后期對(duì)5組錨桿（共計(jì)15根）拉拔力實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨桿拉力計(jì)拉力達(dá)到100 kN時(shí)錨桿未出現(xiàn)失效現(xiàn)象，優(yōu)化后錨桿、錨索起到預(yù)期支護(hù)效果。

3）2110巷過F10-c2斷層后在斷層處頂板安裝一臺(tái)頂板離層儀，并對(duì)其進(jìn)行三個(gè)月數(shù)據(jù)觀察記錄發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)月內(nèi)由于斷層處頂板巖石層圍巖應(yīng)力未完全處于平衡狀態(tài)，頂板發(fā)生較大塑性變形，主要位于頂板往上3.0 m范圍內(nèi)，變形量為250 mm，在第二個(gè)月時(shí)間內(nèi)頂板基本處于穩(wěn)定，變形量相對(duì)較小，變形量為50 mm，變形位置位于破碎巖體與假頂、鋼棚支護(hù)之間；第三月時(shí)間內(nèi)頂板巖體應(yīng)力已達(dá)到應(yīng)力平衡，同時(shí)斷層帶處支護(hù)措施已起到支護(hù)效果，頂板不再發(fā)生變形，見圖2。

圖2 F10-c2斷層處頂板聯(lián)合支護(hù)后頂板變形量與時(shí)間曲線關(guān)系

5 結(jié)語

山西汾西正令煤業(yè)有限責(zé)任公司通過技術(shù)研究，對(duì)2110巷斷層破碎區(qū)域決定采取“注漿+人工假頂+鋼棚”聯(lián)合支護(hù)措施，實(shí)踐證明，2110巷采取聯(lián)合支護(hù)措施后，提高了破碎頂板穩(wěn)定性，阻止了巷道變形、頂板破碎現(xiàn)象，保證了巷道安全順利施工，取得了顯著成效。