掘進巷道過斷層破碎帶安全措施研究

蘇張鋒

（晉城宏圣建筑工程有限公司 ，山西 晉城 048000）

1 工程概述

寺河煤礦位于山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮，礦井設計生產能力為10.8.0Mt/a，井田面積約為230km2，全井田可采煤層分為3#、9#、15#煤層，煤層總厚度10.32m，目前主回采煤層為3#煤層，平均厚度為6.31m。礦井設計為斜井立井綜合開拓方式，綜合機械化開采，采區布置分為東區、西區、北區三個部分。

寺河礦東六盤區東回風大巷位于+380水平，工作面以東為礦界、西為東井區東回風二巷（已掘）、北為+380水平回風巷（未掘）。巷道設計長度為360m，巷道為矩形斷面，斷面規格為寬×高=5.0×4.5m，巷道直接頂主要以炭質泥巖為主，泥巖厚度為3.2m，基本頂主要以細砂巖為主，平均厚度為11.8m，該巷道由晉城宏圣建筑工程有限公司承包施工；巷道初步支護設計中頂板采用單錨桿及錨索支護，錨桿采用直徑為22mm，長度為2.4m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨索采用直徑為21.6mm，長度為7.3m預應力鋼絞線，截至目前巷道已掘進170m。

根據寺河煤礦地測科提供資料顯示，東回風大巷掘進至375m處將揭露一條正斷層F7，斷層落差為1.5m，傾角為55°，如圖1所示；受構造應力影響，巷道掘進至352m處頂板開始出現破碎，頂板巖體單軸抗壓強度僅為6.7MPa，且頂板下沉現象嚴重，最大下沉量達0.47m，巷道原支護設計無法滿足支護要求。

圖1 寺河煤礦六盤區東回風大巷F7斷層剖面示意圖

2 破碎頂板聯合控制措施應用

晉城宏圣建筑工程有限公司常店項目部通過研究，決定采用強行破巖法過F7斷層，為了保證巷道過斷層期間施工安全，在過斷層前后15m范圍內對破碎頂板采用“注漿+施工撞楔加長錨桿支護+架設“π”型工字鋼棚”等聯合方法進行維護。

2.1 注漿支護

由于受構造應力影響，頂板原巖出現嚴重破碎現象，破碎巖體單軸抗壓強度及承載能力大大降低，造成原頂板支護質量差、支護失效現象嚴重，所以可通過注漿法提高破碎巖體膠結穩定性及承載能力。

1）東回風大巷掘進至360m處（距F7斷層15m）開始對破碎頂板施工注漿鉆孔并進行注漿，工作面每排布置4個鉆孔，鉆孔直徑為55mm，鉆孔深度為8.0m，鉆孔間距為1.2m鉆孔布置在距巷道頂板1.0m處且與頂板成30°夾角布置，如圖2所示。

2）鉆孔施工完后采用高壓注漿泵向鉆孔內注射馬麗散與催化劑配比為1：1的混合液，在注漿過程中發現巖體出現漿液滲透現象時立即停止注漿并對鉆孔采用黃泥砂漿進行封堵，待注漿2h后方可繼續掘進。

3）第一排鉆孔注漿完成且巷道掘進5.0m后，開始施工第二排注漿鉆孔并進行注漿工序，相鄰兩排注漿孔水平方向交錯2.0m布置。

2.2 撞楔超前加長錨桿支護

由于頂板相對破碎，為了防止巷道在掘進期間頂板出現垮落事故，晉城宏圣建筑工程有限公司常店項目部決定在巷道掘進前在巷道設計頂板位置施工一排撞楔超前加長錨桿支護。

1）東回風大巷采用的撞楔超前加長錨桿支護主要由若干根長度為4.5m，直徑為22mm的加長錨桿組成。

2）首先在巷道設計頂板位置施工一排超前支護鉆孔，鉆孔深度為4.0m，鉆孔直徑為30mm，鉆孔垂直工作面布置，每排施工10個鉆孔，鉆孔間距為0.5m。

3）超前支護鉆孔施工完后依次在鉆孔內填裝錨固劑及鋼針并進行錨固，每個鉆孔填裝三支錨固劑，從孔底往外依次為兩支MSK23/35型和MSZ23/60型。

4）第一排超前支護施工完后巷道繼續掘進，當巷道掘進1.0m后在頂板施工永久支護時采用鋼帶及錨桿將超前支護與頂板固定預緊，每掘進1.0m施工一根鋼帶，當巷道掘進3.5m時巷道設計頂板開始施工第二排撞楔超前支護，且與第一排疊加交錯布置，疊加長度為1.0m。以此類推直至巷道完全過斷層破碎帶且頂板穩定后停止施工超前支護。

2.3 架設“π”型工字鋼棚

為了進一步提高頂板穩定性，防止頂板下沉，晉城宏圣建筑工程有限公司常店項目部通過研究決定，在東回風大巷破碎頂板注漿支護、永久支護以及超前支護施工完后決定在其下方架設“π”工字鋼棚。

1）東回風大巷破碎頂板架設的“π”型工字鋼棚主要由四節棚腿、一節“π”型頂梁以及兩個棚腿底座組成，每節棚腿由11#工作鋼梁組成，棚腿長度為2.5m，每兩節棚腿通過滑槽及卡纜連接固定，伸縮長度范圍3.0-5.0m；頂梁長度為4.8m，棚腿底座采用規格為長×寬×厚=300×300×5mm鋼板制成。

2）首先在架設鋼棚處巷道兩幫底板進行起底施工棚腿基礎坑，起底規格為長×寬×深=300×300×200mm，起底后將棚腿底埋入基礎坑內并采用強度為C30混凝土進行澆筑。

3）棚腿底座安裝后依次安裝棚腿，棚腿與底座之間采用兩根固定錨栓進行連接預緊，兩節棚腿之間采用卡纜固定，棚腿安裝后為保證棚腿穩固在棚腿與巷幫之間施工兩根長度為1.0m固定錨桿并采用卡纜固定，如圖2所示。

圖2 寺河煤礦東回風大巷斷層破碎帶聯合支護斷面圖

4）棚腿安裝后將“π”型頂梁與其對接并采用卡纜預緊固定，預緊力不得低于200N.m

5）第一架鋼棚架設完后開始架設第二架鋼棚，相鄰兩架鋼棚間距為1.0m，待所有鋼棚架設完后在相鄰兩架鋼棚頂梁之間鋪設長度為1.5m，寬度為0.3m水泥背板，水泥背板鋪設完成后通過調節棚腿滑槽升降器將頂梁升起，確保水泥背板與巷道頂板接觸嚴實。

3 應用效果分析

1）東回風大巷在掘進期間，對斷層帶附近頂板破碎巖體采取注漿支護，有效提高了頂板膠結穩定性，通過實驗觀察發現注漿后頂板破碎巖體單軸抗壓強度提高至18.2MPa,在過斷層期間頂板未出現局部破碎、冒頂現象。

2）通過施工撞楔超前加長錨桿支護對破碎頂板進行超前維護，有效避免了頂板破碎支護措施不及時，造成巷道掘進期間工作面迎頭煤壁片幫、頂板垮落事故發生；實踐證明東回風大巷施工撞楔超前支護后工作面在過F7斷層期間工作面煤壁片幫得到很好控制，頂板未發生一起垮落事故。

3）通過架設密集“π”型鋼棚對斷層破碎帶頂板進行支護，進一步提高了頂板整體穩定，對頂板下沉、變形現象得到了有效控制，東回風大巷架設鋼棚后對其頂板進行三個月觀察發現，在第一個月內由于受掘進影響，巷道圍巖應力重新分配，頂板下沉量相對較大，最大下沉量為0.12m，在第二個月內頂板基本趨于穩定，頂板下沉量較小，下沉量為0.05m，第三個月內頂板巖體應力得到平衡，下沉量為0。

4 結束語

晉城宏圣建筑工程有限公司常店項目部通過技術研究，對寺河煤礦東回風大巷過斷層破碎帶期間，對破碎頂板采取“注漿+撞楔超前加長錨桿支護+架設π型鋼棚”等聯合維護措施，實際應用效果表明，采取聯合措施后大大提高了破碎頂板穩定性，避免了頂板冒落事故發生，提高了巷道過斷層期間掘進效率，取得了顯著成效。