樹兒里礦2204 巷掘進過斷層圍巖控制研究

武 輝

（大同煤礦集團同生樹兒里煤業有限公司，山西 大同 037100）

斷層是煤炭開采時常遇地質構造，回采巷道在掘進過斷層期間，受斷層破壞帶影響圍巖支護條件變差，容易出現頂板冒落，給巷道圍巖控制帶來一定影響[1-3]。在巷道過斷層時需要根據圍巖變化情況及時調整圍巖控制方案[4]。以樹兒里礦2204 巷掘過F39、F40 正斷層為例，對巷道過斷層期間的圍巖控制技術措施進行歸納總結。

1 概況

樹兒里煤礦可采煤層為3#煤層，3#煤層東北-西南走向，傾向東南，平均埋深210 m，北高南低，煤層傾角7°，厚度11.8 m，硬度（f 值）3～4。直接頂為2.26～5.29 m 的砂質泥巖，基本頂為9.1 m 的砂巖，直接底為1.35～3.25 m 的細砂巖。

2204 巷長度483.6 m，周邊均為實體煤，沿煤層底板掘進，矩形斷面（掘寬× 掘高=5200×3300 mm）。采用綜掘，破煤用EBZ-260綜掘機，運煤用DSJ80/2×55 膠帶。正常條件下支護采用錨網索+鋼帶。現2204 巷已掘至150 m處，預計在160 m、188 m 位置分別揭露F39 正斷層（H=1.2 m，135°∠50°）、F40 正斷層（H=2.0 m，35°∠53°）。為了確保巷道過斷層安全，原設計采用組合錨索和錨索吊掛工字鋼補強支護措施來控制圍巖變形。

2 斷層對圍巖控制影響分析

2204 巷道掘進至F39、F40 斷層附近時，地應力分布關系見圖1。其中：最大主應力（σ1）為垂向，中間主應力（σ2）平行斷層走向，最小主應力（σ3）與斷層面垂直。

2204 巷由斷層上盤進入到下盤，在掘進中底板最先受斷層影響，破碎程度增加，在最大垂向應力及水平應力同時作用下，底板會出現底鼓；掘進過破碎帶時，頂板破碎且垂向應力直接作用下頂板，巷道頂、底板及巷幫均表現出較大變形；當通過破碎帶后，巷道底板為砂巖，其余為煤層，砂巖強度顯著高于煤層，在垂向應力作用下圍巖變形以頂板沉、巷幫收斂為主，底鼓量保持在低位。由于巷道底板為砂巖，頂板及巷幫為煤層，因此應針對上述特征進行強頂板支護。

通過分析，斷層對巷道掘進造成的影響歸結起來有以下幾點：

（1）斷層造成煤巖層錯位，擾亂巷道原有的設計布局。同時斷層會降低附近煤體穩定性，給后續的煤炭生產帶來影響，最主要的是煤體中矸石含量增加。

（2）由于斷層活化顯著，擾亂礦壓正常分布，給圍巖控制帶來不利影響。

（3）斷層作用引起的破碎帶容易引起頂板冒落，給巷道掘進及支護工作正常開展帶來不利影響。若2204 巷出現冒落，由于煤層厚度較大，冒落問題難以處理。

（4）在巷道過斷層期間，需要根據實際地質條件選擇合適的圍巖控制措施，提升巷道掘進及支護安全系數。

3 圍巖控制技術方案

3.1 縮小巷道斷面

為了確保巷道安全、平穩通過斷層，降低掘進對圍巖影響，2204 巷從掘進155 m位置（即與斷層相距5 m）開始變更巷道斷面和支護形式。在保證巷道掘進、運輸以及通風不受影響前提下，將巷高由3300 mm 降低至3000 mm，巷寬保持不變，掘進斷面由17.16 m2縮小至15.6 m2。

3.2 巷道補強支護

3.2.1 頂板強化支護

（1）頂板正常支護

錨桿為Ф22×2 000 mm 螺紋鋼，間排距為1000×1000 mm，每排7 根，角錨桿距相鄰錨桿600 mm，采用鋼質托盤（130×130×10 mm），除兩側角錨桿外斜15°外，其余錨桿均垂直頂板，配套采用4300×250×3 mm 的五眼鋼帶。金屬網（規格5800×1 200 mm）用8#鍍鋅鉛絲編制，網孔50×50 mm，網片長邊垂直于巷道掘進方向布置。

（2）過F39 正斷層時補強支護

采用Ф17.8×10300 mm 的鋼絞線，間排距1300×2000 mm，每排3 組，每組3 根錨索，采用鋼質托盤（500×500×16 mm），錨索在兩鋼帶間均勻布置。采用11#礦用工字鋼加強支護，3 根錨索吊掛1 根工字鋼，工字鋼長度4500 mm，眼距1500 mm，工字鋼布置在兩排鋼帶間，與組合錨索交錯布置，工字鋼與組合錨索距離為1000 mm。支護設計見圖2。

圖2 過F39 正斷層時補強支護設計

（3）過F40 正斷層時補強支護

采用Ф17.8×10300 mm 的鋼絞線，間排距2000×2000 mm，每排2 組，每組3 根錨索，采用鋼質托盤（500×500×16 mm），錨索布置在兩排鋼帶間。支護設計見圖3。

3.2.2 兩幫強化支護

巷幫用Ф18×2000 mm 螺紋鋼錨桿，間排距1000×1000 mm，每排2 根，上邊錨桿距頂600 mm，與水平線呈15°上斜布置，其余均與煤壁垂直。托盤采用450×280×4 mm 的W 短節鋼帶，墊片板110×110×8 mm。巷幫支護設計見圖4。采用的護幫金屬網應緊跟掘進面鋪設，以便減小空幫距離。

圖3 過F40 正斷層時補強支護設計

圖4 巷幫支護設計示意圖

3.3 施工技術要求

（1）中線與巷幫間距離、錨桿（索）間排距偏差均應控制在100 mm 以內。

（2）錨桿、錨索采用錨固劑錨固時時間控制應滿足表1 要求。

表1 錨固劑錨固時時間控制要求

（3）錨桿、錨索外露長度分別10～50 mm、150～250 mm。

（4）托板必須與頂或幫緊貼，應橫豎成排。

（5）錨桿、錨索錨固力、拉拔力以及預緊力要求見表2。

表2 錨桿、錨索支護時預應力要求

（6）金屬網搭接長度≥200 mm，連接采用14#鐵絲，鐵絲間距≤100 mm，排距≤200 mm，呈三花布置，扭結不少于3 圈。兩網要相互對齊，頂網采用鋼帶壓住搭接處。網片拉緊并緊貼頂幫。

（7）失效的錨桿在其旁邊200 mm 處補打，并達到支護質量要求。

4 圍巖控制效果分析

在巷道掘進過F39 斷層1 m 處及掘進161 m 位置對圍巖變形量進行監測，監測結果見圖5。

從圖中可以看出，采用強頂板支護措施后，巷道掘進穿過F39 斷層11 d 后圍巖變形逐漸趨于穩定，巷幫及頂底板最大變形量分別為65 mm、85 mm；支護30 d 后，巷幫及頂底板最大變形量分別為66 mm、86 mm。掘進期間巷道頂板未出現冒頂傾向，表明采取的圍巖控制措施可以提升巷道圍巖完整性，確保巷道使用安全。

圖5 巷道圍巖變形監測結果

5 總結

通過分析2204 巷圍巖特征、斷層對巷道掘進及圍巖控制造成的影響，提出強頂板支護的圍巖控制方案。

現場應用表明，采取強化頂板支護方案后，巷道過斷層11 d 時巷幫及頂底板最大變形量分別為65 mm、85 mm；過斷層30 d 后，巷幫及頂底板最大變形量分別為66 mm、86 mm，圍巖控制效果達到預期。