斷層破碎帶高冒頂板巷道支護技術研究

武匯集

（汾西礦業集團高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

斷層是煤炭資源開采時常見構造，在斷層破碎帶內煤巖體破碎、承載能力以及穩定性較差，巷道掘進至此區域時容易出現冒頂事故，制約巷道掘進效率以及使用安全[1-3]。現階段破碎帶發育高度通過鉆探、物探方式確定，存在探測偏差大、精度不高等問題，從而給巷道掘進至冒落帶圍巖控制帶來一定影響[4-5]。現階段研究學者主要提出采用注漿方式對冒落帶圍巖進行加固，從而實現巷道安全掘進[6-9]。本文以山西某礦10101 回風巷掘進過斷層破碎帶為工程背景，根據現場實際條件提出采用超前注漿+管棚+U 型鋼支護方式對破碎帶高冒頂板進行支護，不僅確保了巷道掘進安全，而且避免頂板出現二次冒落問題，現場取得較好的圍巖控制效果。

1 10101 回風巷工程概況

山西某礦10101 為10 號煤層首采工作面，采面設計走向、傾向長分別為265 m、1 380 m，采用綜采開采工藝，設計推進速度為4.0 m/d。10 號煤層厚度均值3.45 m、傾角6°，中間夾雜2～3 層泥巖矸石，夾矸總厚度在0.6 m 以內。10101 回風巷沿著10 號煤層底板掘進，矩形斷面，巷道掘進過程中會揭露DF21 斷層（H=5～7 m，105°∠38°），前期探測發現斷層中部存在有寬度0.9～1.5 m 破碎帶，破碎帶內煤巖體松散，探測鉆孔成孔困難，斷層破碎帶為巷道掘進期間的高冒區，具體位置見圖1 所示。10101 回風巷掘進至DF21 斷層影響區時存在較大的安全風險，為此，提出采用超前注漿+ 管棚+U 型鋼控制圍巖。

圖1 采面回風巷高冒段位置示意圖

2 斷層破碎帶冒落段支護技術

現階段對于巷道頂板冒落處理技術主要包括錨桿（索）支護、鋼管混凝土支架、注漿等方式，文中就依據10101 回風巷現場實際情況，采用注漿方式充填冒落區，提高頂板破碎帶巖體承載能力以及穩定性，并采用U 型鋼+管棚對圍巖進行支護。

2.1 冒落段注漿加固

2.1.1 注漿材料

由于DF21 斷層破碎帶范圍內巖體破碎、穩定性差、冒落高度大，為確保巷道掘進以及后續使用安全，提出采用高水材料對破碎巖體進行加固。具體選用的高水材料強度變化曲線見圖2 所示。從圖2 中看出，高水材料抗壓強度隨著水灰質量比增加而降低，水灰質量比越小則注漿材料抗壓強度越大；反之水灰質量比越大注漿材料抗壓強度越小。具體水灰質量比可依據現場條件確定，通過調整水灰質量比達到既滿足注漿強度又降低注漿材料消耗量目的。最終確定的高水材料水灰質量比為1.5∶1。

圖2 高水材料強度變化曲線

2.1.2 注漿工藝

井下注漿工藝主要可分為雙液、單液注漿兩種方式，不同注漿工藝有其自身特點及其適用范圍。根據10101 回風巷掘進至冒落區現場條件，提出采用雙液注漿方式。注漿漿液在注漿壓力作用下需要在冒落帶內克服裂隙阻力，同時應避免巖體產生新的裂隙，為此將注漿壓力設計為2～3 MPa。

2.1.3 注漿方案

1）巷道冒落段外側砌筑止漿墻進行注漿。在冒落帶外側1～1.5 m 范圍砌筑止漿墻，待止漿墻施工完畢后進行注漿，實現止漿墻與冒落帶間巖體孔隙。對巖體進行充填不僅提高巖體強度而且可避免巷道頂板巖體出現冒落；同時可降低后續高冒區充填時跑漿量。

2）巷道冒落段里側砌筑止漿墻進行注漿。在距離外側止漿墻3 m 位置施工繞道（寬2.5 m、高2.0 m，采用錨網索支護），繞道掘進至冒落帶里側，在繞道內施工注漿墻并通過注漿管向冒落帶內進行注漿。通過冒落帶外段以及里段可提高冒落帶巖體穩定性以及強度。具體現場注漿布置見圖3 所示。

圖3 現場注漿布置示意圖

2.2 支護技術

在冒落帶采用里段、外段注漿后，在超前管棚掩護下使用U29 型鋼對冒頂區域進行支護。

2.2.1 超前管棚支護

待對掘進前方冒落帶進行注漿加固完成后，從止漿墻位置處采用U29 型鋼支架對圍巖進行支護。在巷道掘進迎頭施工深度4 000 mm、孔徑32 mm、仰角15°鉆孔，鉆孔施工完成后向孔內鍥進長4000mm、直徑25 mm 圓鋼管，鋼管布置間隔為300～400 mm。超前管棚施工完成后采用螺栓將鋼管與U29 型鋼架連接。

2.2.2 U 型鋼架支護

在巷道掘進過程中首先開挖兩幫幫角位置棚腿窩，將新安裝的U 型鋼棚腿采用拉桿緊緊固定到原支護邊緣；后采用手鎬掏頂棚并架設棚頂，使用圓木與頂板背實；最后開挖掘進巷道中部矸石，在巷道開挖時應防止前方矸石冒落，避免冒頂事故發生。具體支護斷面見圖4 所示。

圖4 管棚及U 型鋼布置示意圖

2.3 冒落段圍巖支護效果

在巷道掘進通過頂板冒落段后，采用鉆孔窺視對巷道圍巖支護加固效果以及頂板離層情況進行窺視。通過窺視發現高水材料在注漿加固區域裂隙內充填良好，破碎巖體完整性得以明顯提升。后續監測巷道頂板下沉量控制在26 mm 以內，頂板金屬網未出現網兜等頂板冒落征兆，現場圍巖控制效果較好。

3 結語

10101 回風巷掘進至DF21 斷層冒落帶時面臨頂板冒落問題，為此提出采用超前注漿、管棚以及U型鋼方式對圍巖進行支護。超前注漿選擇采用高水材料、水灰質量比設計1.5∶1、注漿壓力2～3 MPa，并依據現場條件對超前注漿方案進行設計。通過超前注漿可提升冒落帶內破碎巖體穩定性以及承載能力，后采用超前管棚、U 型鋼對頂板巖層進行控制，避免巖體冒落。現場應用后，巷道掘進過斷層破碎帶高冒區時頂板巖層始終保持穩定，監測到頂板最大下沉量為26 mm 以內。現場應用效果表明，文中所提超前注漿+超前管棚+U 型鋼方式可實現破碎帶高冒落段圍巖控制，可滿足巷道掘進以及圍巖控制需要。