厚煤層掘進巷道斷層冒落區治理

李江飛

（晉能控股煤業集團公司，山西 大同 037001）

1 概況

塔山煤礦5107 巷位于一盤區中部，東鄰正在掘進巷道的8106 工作面，南為1070 回風巷，西為實體煤，北至口泉鐵路保護煤柱。5107 巷上覆為同煤麻地灣煤礦侏羅系14、15 號層采空區，層間距290～320 m，蓋山厚度為326～494 m。5107 巷設計掘進長度為2537 m，斷面為5.5 m×3.9 m。巷道掘進煤層為3～5#合并煤層，煤層平均厚度11.91 m，煤層中含2～18 層夾矸，夾矸厚度0.30～2.74 m，平均1.35 m，巷道沿煤層底板平行掘進。5107 巷采用EBZ260 型掘進機掘進，循環掘進量0.8 m，巷道頂板采用“錨桿（索）+W 型鋼帶+金屬網”聯合支護。

根據地測資料顯示，5107 巷掘進區域以落差在3.5 m 以下的中小型斷層為主，5107 巷在掘進過程中共計揭露6 條正斷層（F1～F6），目前F1、F2、F3 三條斷層已揭露，F4、F5、F6 三條斷層分別位于巷道582 m、1211 m、1981 m 處。其中F5、F6 兩條斷層平均落差為0.7 m，平均傾角為55°，對巷道影響較小；F4 斷層落差為2.4 m，傾角為62°，該斷層對巷道掘進影響較大。

2 巷道掘進現狀及問題分析

2.1 頂板破壞現象

目前5107 巷已掘進578 m，距F4 斷層還剩4 m，頂板局部破碎，巷道頂板中部出現下沉，下沉量為0.12 m，隨著巷道不斷延伸，巷道頂板應力加大。當巷道掘進至576 m 處時，巷道中部出現冒漏現象[1-5]，冒漏高度為0.7 m，冒漏區及附近頂板錨桿支護效果差。當巷道掘進至578 m 處時，頂板冒漏現象加重，最大冒漏高度達2.7 m，冒漏區成半橢圓狀，冒漏區頂板主要以硅化煤為主，煤體相對破碎，傳統錨桿（索）支護難度大。

2.2 斷層區頂板破碎機理

通過現場考察分析，認為5107 巷的頂板冒落主要是由構造應力、煤質以及支護強度三方面造成的。

（1）構造應力影響。5107 巷揭露的F4 斷層落差相對較大，巷道在掘進前煤體應力處于平衡狀態，掘進造成圍巖應力向巷道內釋放，造成圍巖破碎。巷道無地質構造影響情況下，通過對圍巖施工錨桿（索）支護加強圍巖穩定性，可以達到控制圍巖變形的目的。但當巷道在揭露斷層前后時，斷層對巷道的破壞作用造成圍巖失穩，加劇了圍巖破壞力度。

（2）頂板穩定性差。5107 巷掘進煤層屬于石炭系煤層，煤層厚度為11.91 m，煤層整體穩定性相對較差，煤層內夾雜多層泥巖。5107 巷頂煤厚度為8.0 m，受F4 斷層影響破壞了煤層連續穩定性，斷層帶附近煤巖體裂隙發育，在斷層應力作用下裂隙煤體擴張破壞，巷道頂煤承載能力降低。

（3）支護強度低。通過現場觀察發現，5107巷冒漏區煤體在應力剪切作用下破壞嚴重，且無法形成連續平整的頂板，原支護設計錨桿（索）支護在冒漏區頂板中錨固效果差，錨桿（索）無法對頂板施加預期的預應力，支護效果差，支護難度大。

3 冒漏區頂板聯合治理技術

為了防止5107 巷冒漏區范圍擴大，提高冒漏區頂板穩定性，決定對冒漏區采取“注漿+人工假頂+超前管棚”聯合支護措施。

3.1 注漿

（1）注漿作用。通過注漿泵的高壓將注漿材料壓入破碎巖體裂隙帶內，利用注漿液的滲透能力強、粘接效果好、固結體抗壓強度高等優點，使破碎煤體重組，提高煤體膠結穩定性及抗壓強度，從而提高錨桿（索）支護強度。

（2）注漿材料選取。傳統注漿材料主要采用馬麗散雙液混合材料，該注漿材料雖然粘接效果好，但是成本費用相對較高，一般成本價為2.85萬元/t。通過實驗對比，決定采用“超細水泥－水玻璃漿液”混合注漿液。該注漿液主要由超細水泥與水玻璃漿液以1:1 比例混合而成，具有成本費用低、凝固速度快等優點，注漿液凝固后能夠快速形成水化硅酸鈣，該結實體不僅強度大，而且具有一定的彈性特性。

（3）注漿工藝：① 首先采用風動錨索鉆機對冒落區施工注漿鉆孔，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔直徑為45 mm，鉆孔數量根據冒落區范圍而定，要保證注漿范圍覆蓋整個冒落區；② 鉆孔施工完后，對鉆孔內埋入直徑為20 mm 注漿軟管，在孔口處采用止漿塞、膨脹水泥進行封孔處理；③ 將注漿軟管另一端與雙液注漿泵混合管連接，進行注漿，如圖1所示，注漿壓力為1.5 MPa，單孔注漿量為45 kg。

圖1 冒漏區注漿系統結構示意圖

3.2 人工假頂

為了防止冒漏區出現瓦斯積聚現象，提高冒漏區頂板穩定性，在冒漏區施工人工假頂。

（1）冒漏區頂板人工注漿加固后，在冒漏區兩側頂板圍巖各施工一根長8.0 m、直徑為21.8 mm高強度預應力恒阻錨索，錨索間距為3.0 m，排距為2.0 m，冒漏區共計施工4 排錨索。

（2）在同一排錨索外露端安裝長為3.5 m 工字鋼梁，鋼梁上均勻焊制兩個錨索支護孔，孔距3.0 m，工字鋼梁面與巷道設計頂板面齊平。

（3）冒漏區所有錨索吊棚施工完后，在吊棚平面上依次平鋪金屬網、風筒布，然后在吊棚與冒漏區頂板之間采用方木成“井”字型搭接填充，最后采用張拉機具對錨索吊棚進行預緊。

（4）人工假頂施工完后，采用注漿泵向假頂間隙處注入羅克休膨脹劑，對假頂間隙處進行填充，如圖2 所示。

圖2 5107 巷冒漏區頂板聯合支護剖面示意圖

3.3 超前管棚支護

為了防止構造應力對巷道前方煤體造成超前破壞作用，控制冒漏區范圍擴大，巷道在過斷層期間對頂板施工超前管棚支護。

（1）冒漏區人工假頂施工完后，在掘進巷道迎頭頂板處施工一排垂直煤壁支護孔，孔深為3.0 m，直徑為40 mm，間距為0.5 m，共計10 個。

（2）支護孔施工完后，孔內注入長為3.5 m、直徑為35 mm 中空圓鋼，圓鋼外露端采用“JW”型鋼帶配套五根錨桿進行固定。

（3）管棚支護施工完后，巷道在掘進過程中的頂板永久支護施工在管棚下方。巷道掘進3.0 m后繼續施工第二排超前管棚支護，直至巷道完全過斷層應力區。

4 結 語

（1）通過對F4 斷層處頂板冒漏機理進行分析，采取“注漿+人工假頂+超前管棚”聯合支護措施，5107 巷在過冒漏區時頂板未出現大面積破碎、垮落現象，控制了頂板冒漏區范圍擴大。

（2）5107 巷在后期掘進期間對冒漏區安裝了頂板圍巖監測儀，分析發現，10 d 頂板最大位移量0.12 m，10～15 d 頂板位移量逐漸減小，在15 d 后頂板下沉量為0。

（3）采取聯合支護措施后，每班安排專人對冒漏區及其附近進行有害氣體檢測，冒漏區瓦斯最大濃度為0.2%，有效阻止了5107 巷頂煤內瓦斯向冒漏區涌出現象。