煤巷斷層破碎帶頂板支護技術應用實踐

郝瑩

（山西宏宇誠鑄建設工程有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

麻家梁礦位于山西省朔州市朔南礦區南部，井田面積104.2877 km2，礦井設計生產能力為12 Mt/a，設計服務年限82 a。礦井采用立井雙水平開拓，初期布置主立井、副立井、回風立井三個井筒，一個開采水平，布置兩個生產采區，井田內主采石炭系的4#、9#煤層，煤層發育不穩定，成破碎狀結構，煤層內含多層夾矸，以炭質泥巖為主，厚度在0.3～1.4 m之間。

14402運巷位于井田四采區，南接+665西輔運大巷，東、北、西均未開采，見圖1。工作面北端西部距F34斷層450 m，該斷層落差70 m，工作面所在盤為斷層下盤。巷道設計長度為2580 m，為矩形斷面，斷面規格為寬×高=5.0 m×3.6 m，施工巷道沿4#煤層頂板平行掘進。

圖1 麻家梁礦四采區14402運巷布置

14402運巷無偽頂，直接頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為5.6 m，基本頂主要以砂質泥巖為主，平均厚度為7.2 m，直接頂與基本頂之間夾雜一層厚度為0.4 m煤層（不可采）。14402巷由山西宏宇誠鑄建設工程有限公司礦建工程隊采用EBZ-200型半煤巖掘進機掘進，截至目前巷道已掘進155 m。根據麻家梁礦地測科提供資料顯示，14402巷在掘進過程中共揭露兩條正斷層（F1、F2），F1斷層位于掘進巷道87 m處，斷層落差為0.6 m，傾角為52°，對掘進影響不大，采用掘進機可直接推過，F2斷層位于掘進巷道164 m處，斷層落差為1.4 m，傾角為45°，對巷道掘進影響大。

2 14402運巷初步支護設計分析

2.1 14402運巷頂板初步支護設計

14402運巷初步支護設計中，頂板采用錨桿、錨索、鋼帶、金屬網等聯合支護，支護參數如下：

（1）頂板錨桿采用長度為2.4 m，直徑為22 mm的螺紋鋼錨桿，頂板每排施工5根，錨桿間排距為1.1 m×1.0 m。

（2）頂板鋼帶采用長度為4.8 m，寬度為0.25 m“W”型鋼帶，每根鋼帶采用5根錨桿將其與頂板進行錨固，鋼帶間距為1.0 m。

（3）頂板錨索采用長度為6.0m，直徑為17.8mm預應力鋼絞線，每排施工3根錨索，錨索間排距為2.0 m×3.0 m，錨索外露端采用規格為0.3 m×0.3 m鋼方墊及鎖具進行預緊。

2.2 初步支護設計在過F2斷層中存在問題

（1）由于F2斷層落差為1.4 m，巷道掘進至距斷層帶10 m處時頂板壓力加大，通過對F1斷層帶附近頂板觀測發現，礦壓主要集中在巷道頂板中部，頂板中部出現下沉、破碎現象，破碎區域在頂板往上2.2 m范圍內且范圍不斷擴大，而初步支護設計中頂板錨桿長度為2.4 m，錨桿錨固端位于破碎巖體內，錨桿支護無法形成組合梁，特別是對巷道頂板中部巖層支護效果差。

（2）隨著巷道不斷延伸，當巷道掘進至斷層帶處時巷道頂板出現大面積破碎現象，巖石層膠結穩定性大大降低，若僅采用鋼帶支護時，鋼帶支護強度低，不能長時間對破碎頂板進行有效維護，隨著時間推移鋼帶會出現嚴重變形現象。

（3）巷道掘進至斷層帶處時直接頂與基本頂出現離層現象，而初步支護設計中錨索長度為6.0 m，錨索錨固端位于直接頂與基本頂之間，一旦頂板出現離層，錨索錨固作用完全失效，同時錨索直徑為17.8 m，錨索屈服強度較低，在過斷層期間會出現錨索拉斷現象。

3 斷層破碎帶頂板支護技術研究

山西宏宇誠鑄建設工程有限公司礦建工程隊通過技術分析，在14402運巷過F2斷層期間對原支護設計進行優化，并決定采用 “錨桿桁架+π型鋼棚”聯合支護對破碎頂板進行維護。

3.1 支護設計的優化

（1）掘進巷道過斷層破碎帶期間，頂板單錨索采用長度為8.3 m，直徑為21.6 mm預應力鋼絞線，同時為減少錨索錨固時間、提高錨固質量，每根錨索采用3支錨固劑，一支MSKC23/35超快型，兩支MSKC23/80加長快速型，錨索排距縮短為2.0 m。

（2）為了提高錨桿錨固質量，將原支護設計中錨桿更換為加長左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為3.2 m，直徑為22 mm，每根錨桿采用2支錨固劑，一支MSKC23/35超快型，一支MSKC23/80快速型。

3.2 錨桿桁架支護

為了減小掘進巷道頂板中部應力集中現象，在過F2斷層帶時決定采用錨桿桁架支護，具體施工方法如下：

（1）錨桿桁架支護主要由兩根傾角錨桿、兩根拉桿、一個拉緊器和鋼墊片組成。

（2）當施工巷道進入F2斷層破碎區域時，錨桿錨索支護后在兩排鋼帶中間距巷幫1.0 m處各施工一根傾角錨桿，錨桿長度為2.0 m，錨桿與巷道頂板夾角為60°。

（3）傾角錨桿施工完后在兩根傾角錨桿外露端各安裝一根拉桿并通過拉緊器進行連接。

（4）拉緊器拉力必須符合設計要求，確保兩根傾角錨桿產生的傾向合力能夠抵消頂板中部集中應力，同時確保拉桿能夠對頂板起到支撐作用，在相鄰兩架錨桿桁架支護之間填塞金屬墊片，見圖2。

圖2 14402運巷頂板錨桿桁架支護斷面

3.3 π型工字鋼棚支護

為了進一步提高破碎頂板穩定性，礦建工程隊決定在14402運巷破碎頂板施工鋼棚并鋪設縱向工字鋼梁及水泥背板。

（1）由于14402運巷寬度為5.0 m，傳統的矩形鋼棚頂梁承載能力相對較差，通過技術研究決定采用π型鋼棚進行支護，π型工字鋼棚主要由四節棚腿、一節π型頂梁、卡纜等組成。棚腿下端焊接一塊規格為長×寬×厚=0.3 m×0.3 m×0.05 m鋼板。

（2）當巷道進入斷層破碎區域時，在巷道兩幫底板處進行人工起底施工棚腿基礎坑，起底規格為寬×深=0.3 m×0.3 m，起底后將棚腿埋入基礎坑內并澆筑。

（3）兩根棚腿安裝固定后，在棚腿上方安裝π型頂梁，頂梁與棚腿之間采用卡纜進行固定，頂梁安裝后確保頂梁與頂板之間留有高度為0.15 m間隙,鋼棚間距為1.5 m。

（4）相鄰三架鋼棚架設完后，在鋼棚頂梁上方鋪設長度為3.5 m橫梁，橫梁垂直π型頂梁布置，每三架鋼棚上方鋪設5根橫梁，間距為1.0 m，橫梁與π型頂梁采用卡纜進行固定，見圖3。

（5）橫梁鋪設完后在其上方鋪設水泥背板，背板規格為長×寬=4.8 m×0.5 m，背板與橫梁垂直布置，水泥背板鋪設后逐漸抬高π型頂梁，確保水泥背板與破碎頂板接觸嚴實。

（6）所有π型工字鋼棚架設完后，為保證鋼棚穩定牢固，在相鄰兩架鋼棚之間采用兩組拉桿進行連接。

圖3 四采區14402運巷π型鋼棚支護斷面、平面

4 結語

山西宏宇誠鑄建設工程有限公司礦建工程隊在施工14402運巷過F2斷層期間，通過技術研究對斷層破碎帶頂板永久支護進行優化，同時采取了“錨桿桁架+π型鋼棚”聯合支護技術，實踐證明采取聯合支護技術后，降低了破碎頂板中部應力集中現象，阻止了頂板破碎范圍不斷擴大，提高了巷道頂板穩定，保證了巷道安全施工，取得了顯著成效。同時為類似地質條件巷道掘進支護提供了借鑒。