斷層帶巷道U型鋼棚+超前注漿噴棚錨注聯合支護技術應用

劉祥利 王鳳江 李新欣

（山東省煤炭技術服務有限公司，山東 濟南 250032）

星村煤礦三采區在進行巷道開拓過程中，揭露了F1斷層，走向NEE、傾向NNE，傾角60～70°,落差240～660m，該斷層落差較大，區內延展長度7740m，伴生斷層較多，頂板破碎情況嚴重，無滴淋水情況。在掘進過程中，造成支護難度大，如何安全可靠地控制斷層帶圍巖和支護結構穩定成為關鍵。

1 斷層帶巷道變形破壞原因分析

1.1 變形和破壞形式

根據斷層帶巷道支護形式，分析巷道變形和破壞情況，其形式主要有：巷道兩幫受到擠壓，造成架棚變形嚴重；底臌等現象嚴重。

1.2 破壞原因分析

（1）巷道圍巖特性受到斷層的影響，致使巖層的性能劣化、穩定性差，這是造成巷道變形的主要原因。

（2）斷層引起的水平構造應力比較大，使巷道狀態不穩定。根據研究發現，地質狀況引起的構造應力要遠遠超過原巖應力，破碎巖體受到側向高應力的作用極易產生剪切膨脹變形。

（3）底板一般不進行支護，容易引發巷道整體變形。底板在巷道支護體系中一般會弱化處理，這就造成底板的軟弱巖體被擠壓到巷道中，變形從弱支護處臌出，底鼓發展到一定程度就會引起巷道變形破壞。

（4）斷層帶的圍巖多為泥巖，具有碎漲等特性，遇水易軟化和泥化，會降低支護的承載力。

（5）在對頂板進行支護時，如果支護不理想未能使頂板巖體形成整體，就會造成頂板離層下沉。

2 支護設計的關鍵及解決方法

2.1 支護設計關鍵

通過分析斷層帶巷道變形破壞的特點和原因，本次支護設計的關鍵：

（1）控制頂板。通過對巷道圍巖進行整體支護，形成新的組合拱結構，來控制頂板變形和離層產生的應力集中，以減輕兩幫的應力集中，兩幫位移就會減小，有助于巷道保持穩定性。

（2）卸壓。斷層帶區域應力高達幾十兆帕，支護產生的支護力難以與其抗衡，由于支護無法使巷道恢復到原有的高應力狀態，這就需要釋放圍巖中的高應力。具體做法是在初次支護時使用柔性支護結構，允許圍巖出現可控變形，然后在二次支護時，通過實施有效的支護手段，使巷道在低應力狀態下巷道圍巖和支護處于穩定狀態。

（3）底板支護。巷道變形除受到地質條件和地應力影響外，底板弱支護引起的底鼓是造成巷道失穩的誘因。在巷道支護體系中，底板支護是薄弱環節，受到垂直應力、側向應力和兩幫應力的影響，底板易發生破壞，出現底鼓等現象，因此要實施有效支護或者加固措施。

2.2 解決方法

控制巷道圍巖變形需采用積極主動的支護體系，需遵循以下原則：

（1）整體性原則。支護結構與圍巖共同發揮作用，通過錨固作用產生較大的剛度和較強的抗變形能力。

（2）結構性原則。通過增強錨固強度和深度，對支護的關鍵部位應力狀態進行改善，有利于支護結構和圍巖共同作用的發揮，保證了整體的應力平衡。

（3）全面性原則。巷道頂板、底腳、兩幫及底板形成全斷面的支護結構，可以有效地控制底腳變形和底鼓，維持支護結構的穩定性。

（4）有效性原則。通過合理的支護手段使支護架構產生較大的剛度和較強的承載力，有效地抵抗巷道變形。

（5）時效性原則。加固后，應預防由于復雜條件的流變效應造成支護體進入屈服狀態。

3 支護方案設計

在斷層帶巷道開挖后，頂板隨著掘進隨掘隨冒，利用U型鋼棚支架作為基礎，采取超前注漿噴棚錨注聯合支護方式。

施工順序：超前預注漿→巷道成形→初噴混凝土→敷設網格200×200mm的金屬網→架U型棚→打頂板錨桿眼并安裝錨桿→打幫部錨桿眼并安裝錨桿→打錨索眼并安裝錨索→二次噴混凝土→鋪設底板混凝土→打注漿錨桿眼并全斷面注漿。

（1）超前預注漿。經過斷層時，在巷道拱頂處對掘進工作面前方4m、巷道輪廓外2m范圍內的巖體采用超前預注漿加固，使該區域的圍巖整體穩定性得到提高。注漿錨桿參數：Φ28mm，L=3000mm，間 排 距1200×1200mm，仰 角 為25～40°，注漿錨桿還可以起到超前支護的作用，當注漿加固巖層有一定的承載力后再進行后續掘進。注漿孔布置示意圖見圖1。

圖1 超前預注漿孔布置示意圖

（2）初次支護。初次支護使用高強預應力錨桿和可伸縮的U型金屬棚，棚距500mm。初噴混凝土厚度30mm。

（3）二次支護。架棚支護屬于被動支護，初期能夠有效地控制變形，當遇到其他地應力，架棚不能有效地適應圍巖的承載力，一旦可縮量小于變形量，U型棚就會損壞，因此需要用錨桿和錨索進行補強。

錨桿選用Φ20mm，L=2400mm的高強應力錨桿，間排距800×800mm，垂直巖層面布置。鎖腿錨桿選用Φ20mm，L=2400mm的高強錨桿，采用卡纜錨固在底板1m處的棚腿上，每個棚腿使用兩根錨桿。錨索選用Φ17.8mm，L=6500mm進行支護，間排距2000×1500mm，具體參數見圖2。噴注混凝土能夠使棚、錨桿、錨索及錨網形成一個受力整體，有很好的抗沖擊性。

（4）錨注加固。通過使用Φ28mm，L=3000mm的中空注漿錨桿對巷道頂部和幫部進行注漿，間排距1500×2000mm，兩幫底角注漿錨桿與水平呈45°向下布置。底板注漿錨桿采用Φ22mm，L=2500mm的無縫鋼管加工，注漿方向與水平呈45°向下布置2根，排距1800mm。

圖2 錨桿錨索二次支護結構圖

4 巷道變形觀測

巷道監測點的頂底板移近和兩幫移近量的觀測數據見圖3、圖4。

圖3 1#監測點頂底板位移、兩幫位移與開挖天數的關系

對1#、2#監測點的頂底板、兩幫位移與開挖時間數據曲線進行分析：

1#監測點頂板下沉最大值為14mm，底臌最大值為185mm，頂底板累計最大移近量約為199mm；左幫變形最大值為51mm，右幫變形最大值71mm，兩幫累計變形最大值約為122mm。

2#監測點頂板下沉最大值25mm，底臌最大值為32mm，頂底板累計最大移近量為57mm；左幫變形最大值為25mm，右幫變形最大值30mm，兩幫累計變形最大值約為55mm。

圖4 2#監測點頂底板位移、兩幫位移與開挖天數的關系

通過監測點的數據分析可以發現監測期間巷道變形特征：

（1）巷道變形與開挖時間沒有直接關系。注漿后，隨著掘進持續進行，巷道頂底板移近量和兩幫移近量隨著增大，底臌量明顯大于頂板下沉量，右幫位移大于左幫位移量，整體兩幫變形量稍高，最后達到平衡。

（2）通過圖3、圖4可以看出，在實施U型鋼棚+超前注漿噴棚錨注聯合支護后，頂板巖層的穩定性較好，限制了頂板下沉，巷道變形量不大，支護效果比較理想。

5 結論

（1）通過研究巷道變形的形式和原因，找到支護的關鍵點，通過控制頂板、卸壓及底板弱支護三個方面進行了闡述。

（2）通過對整體性原則、結構性原則、全面性原則、有效性原則和時效性原則統籌考慮，提出了U型鋼棚+超前注漿噴棚錨注聯合支護方式。

（3）巷道變形觀測可以看出，巷道變形與開挖時間沒有直接關系。在實施U型鋼棚+超前注漿噴棚錨注聯合支護后，支護效果比較理想，為礦井安全生產和巷道開拓節省了大量的時間。