斷層帶附近巷道變形頂板控制技術

李帥帥

（山西長平煤業(yè)有限責任公司，山西 晉城 048000）

受構造應力、采動應力影響，斷層帶附近的煤巖應力發(fā)生變化，當掘進工作面推進至斷層帶附近時經(jīng)常出現(xiàn)頂板下沉、破碎、片幫的情況。隨著工作面的繼續(xù)推進，受采動影響頂板壓力會逐漸增大，頂板破碎面積也會繼續(xù)擴大，頂板裂隙便向煤巖深處延伸，當裂隙深度達到錨索及錨桿的錨固端后，錨桿便無法對破碎頂板起到懸吊作用，進而發(fā)生頂板大面積垮落。為了保證掘進巷道過斷層期間頂板的穩(wěn)定性，提高巷道成型率，必須采取合理有效的安全技術措施，才能控制斷層帶處圍巖變形，從而提高巷道圍巖的整體穩(wěn)定性。

1 長平煤礦五盤區(qū)輔運巷概述

長平煤礦五盤區(qū)輔運巷位于盤區(qū)南翼，巷道東西走向布置，巷道設計長度為1 800 m，巷道設計斷面規(guī)格為5.4 m×3.6 m，巷道掘進煤層為3號層，巷道直接頂主要以砂質泥巖為主，平均厚度為4.6 m，基本頂主要以粉砂巖、泥巖混合巖層為主，平均厚度為8.9 m，截至目前巷道已掘進750 m。

根據(jù)輔運巷掘進期間的鉆探資料顯示，巷道掘進至762 m處將揭露一條F8正斷層，斷層與巷道呈斜角布置。受斷層影響，巷道掘進至748 m處時出現(xiàn)圍巖變形現(xiàn)象，通過現(xiàn)場對圍巖變形情況進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，巷道掘進至750 m處時頂?shù)装逡七M量為0.45 m，兩幫收縮量為0.58 m，而且頂板中部出現(xiàn)斷裂、破碎現(xiàn)象，原頂板錨桿、錨索的支護對破碎頂板支護效果差，錨桿失效率高，嚴重威脅著巷道安全快速地掘進。

2 原巷道支護設計及問題分析

2.1 巷道原支護設計

1）頂板支護。原巷道頂板主要采用錨索、錨桿、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。頂板每排布置5根錨桿，錨桿間距為1.1 m，排距為1.0 m，錨桿長度為2.0 m，直徑為22 mm；頂板每排布置2根錨索，錨索間距為2.6 m，排距為3.0 m，錨索長度為5.3 m，直徑為17.8 mm。

2）護幫支護。原巷道巷幫采用單錨桿支護方式，巷道兩幫各施工三排護幫錨桿，錨桿間距為1.1 m，第一排錨桿距頂板間距為0.5 m，錨桿排距為1.0 m，每根錨桿外露端安裝一根長度為0.45m的'W'型小鋼帶。

3）每根錨桿采用一支MSK23/60型錨固劑錨固，而每根錨索采用2支（35型、60型）錨固劑錨固，錨桿的外露端必須在10 mm至30 mm之間，錨索的外露端必須在150 mm至250 mm之間；錨桿（索）錨固后需進行拉拔實驗，確保預緊力達到設計要求。

2.2 原支護主要存在的問題

1）在輔運巷斷層破碎區(qū)域內施工多個觀測孔，通過觀察發(fā)現(xiàn)頂板往上1.8 m的范圍內均存在破碎情況，且比較嚴重，原巖的膠結性差，且原支護采用2.0 m的錨桿，錨桿的錨固端未能與堅硬的原巖緊固，導致錨桿不能對頂板起到很好的懸吊，對頂板破碎情況無法控制。

2）原支護設計中采用5.3 m的錨索，錨索的錨固端位于直接頂與基本頂間，根據(jù)地質資料顯示，直接頂與基本頂間夾雜著一層煤層，該薄煤層煤質松軟且膠結性差，很容易發(fā)生離層現(xiàn)象，錨索的錨固端位于離層段無法起到有效支護作用。

3）受F8斷層構造應力作用，斷層兩盤處煤巖體處于斷裂錯位狀態(tài)，構造應力在斷層處對兩盤巖體產(chǎn)生水平剪切破壞作用，導致掘進迎頭煤壁及頂板破碎嚴重，采用傳統(tǒng)錨桿（索）支護效果差，無法對變形圍巖進行有效控制。

3 變形圍巖聯(lián)合控制技術

3.1 注漿施工

1）當掘進工作面推進至斷層帶附近時，在頂板往下1.0 m的位置處施工三個與工作面呈25°的鉆孔，相鄰鉆孔之間的距離為1.5 m，巷幫兩側鉆孔與巷幫的夾角為35°，所有鉆孔的深度均為5.0 m，如圖1所示。

圖1 五盤區(qū)輔運巷過F8斷層期間聯(lián)合支護斷面示意圖（mm）

2）當所有鉆孔施工完畢后，將預先混合好的聚氨酯粘接劑通過注漿泵注入鉆孔內，當鉆孔附近的煤壁內有粘接劑滲出時要及時停泵，并對鉆孔進行封堵。

3）待鉆孔內的粘接劑全部凝固后，掘進工作面方可繼續(xù)推進，掘進的同時還需對煤壁內的粘接劑進行觀察，一旦發(fā)現(xiàn)破碎頂板內的粘接劑變少或消失要及時停止掘進，并開始進行下一輪的注漿工序。

3.2 施工人工假頂

當巷道掘進至斷層帶處時，頂板出現(xiàn)嚴重破碎且無法預留，需對破碎頂板施工人工假頂進行維護。

1）首先在破碎區(qū)域施工兩根錨索，錨索長度為4.5 m，直徑為17.8 mm，錨索施工后外露長度控制在0.3~0.5 m范圍內，錨索間距為2.5 m。

2）將3.5 m長的工字鋼梁安裝在錨索下方，工字鋼梁的安裝位置需與頂板平齊，相鄰鋼梁的布置距離為1.5 m。

3）將直徑與長度分別300 mm、2.0 m的半圓木鋪設在工字鋼梁上方，并對鋪設完的圓木進行檢查，確保圓木與頂板接觸嚴密。

3.3 架設工字鋼棚

為了進一步提高斷層處頂板穩(wěn)定性，巷道頂板注漿及人工假頂施工完成后，在巷道內架設一排密集工字鋼棚，從而提高巷幫巖體支撐強度。

1）鋼棚主要由頂梁與棚腿構成，根據(jù)巷道斷面尺寸將鋼棚的寬度設計為4.8 m，鋼棚的高度可以根據(jù)巷道的高低進行調節(jié)。

2）利用巷幫的錨桿將棚腿進行固定，并按照1.0 m的間距連續(xù)鋪設三架鋼棚，將4根工字鋼梁鋪設在這三架鋼棚上，并用卡纜將縱梁與鋼棚固定，并通過調節(jié)棚腿的高度來調整假頂與頂板間的接觸面積。

3）將所有鋼棚與巷幫的間隙都采用長度為1.2 m，寬度為0.3 m的水泥背板進行填充，確保水泥背板與巷幫緊密接觸。

3.4 原頂板錨桿支護優(yōu)化

為了解決傳統(tǒng)錨桿在應力區(qū)支護時錨桿長度不足、錨固效果差、錨桿柔性差等技術難題，決定在F8斷層帶附近頂板施工錨索代替?zhèn)鹘y(tǒng)錨桿來進行優(yōu)化，錨索長度為3.5 m，直徑為21.6 mm，每排布置5根，錨索間距×排距=1.1 m×1.0 m，每根錨索采用3支錨固劑進行錨固。

4 應用效果

截至2019年3月27日，五盤區(qū)輔運巷已掘進至840m，且過F8斷層影響區(qū)（實際影響區(qū)長度為43 m）。對斷層區(qū)巷道圍巖采取'注漿+人工假頂+架設工字鋼棚'聯(lián)合支護技術后，在斷層影響區(qū)巷道每隔10 m安裝一臺圍巖監(jiān)測儀，通過15 d觀察發(fā)現(xiàn)，斷層區(qū)圍巖變形現(xiàn)象得到有效控制，頂?shù)装逡平靠刂圃?.16 m以下，兩幫收縮量控制在0.22 m以下，大大提高了巷道圍巖成型率，取得了顯著應用成效。