協同支護技術在斷層破碎區中的應用

蘭鵬飛

（晉能控股煤業集團燕子山礦，山西 大同 037001）

1 2210 巷概況

燕子山礦2210 巷井下位于C3 號層302 盤區，西部為實煤區，南部為實煤區，東部為302 盤區巷，北部為實煤區。

巷道從3 號層302 盤區軌道巷開口，巷道走向長度2100 m，已掘96 m。巷道沿3 號層穩定煤層底板掘進，掘進斷面規格為4.0 m（寬）×3.3 m（高），巷道斷面為矩形。C3 號層302 盤區2210 工作面煤層結構復雜，厚度穩定，煤層有益厚度為4.48～8.23 m；有3～11 層0.13～2.53 m 的夾石，平均厚度0.30 m；全厚為6.64～11.9 m，煤層屬厚煤層，變異系數27.85%，系較穩定煤層；煤層大致走向東北，傾向東南，傾角為-1°～+3°，煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 2210 巷掘進的4 號煤層頂底板巖性

C3 號層2210 巷預計在掘進過程中120 m、670 m處可能會揭露落差為2.2 m、1.2 m 的正斷層，對掘進有一定影響；巷道目前已掘進至114 m，通過鉆探確定巷道120 m 存在F5 斷層，落差為2.0～2.4 m，受斷層影響，巷道掘進110 m 后頂板開始出現破碎現象，原頂板支護效果差，局部出現冒漏。

2 近距離采空區下協同支護技術

2.1 超前管棚支護

巷道掘進過程中受超前應力作用巷道迎頭煤壁出現嚴重垮落現象，掘進后最大空頂距達2.7 m，采用傳統絲杠式前探梁臨時超前支護效果差，很容易出現頂板冒漏，所以巷道掘進前對迎頭施工一排超前管棚支護。

1）頂板施工超超前管棚支護體采用長度為3.5 m、直徑為30 mm 無縫中空鋼管焊制而成，鋼管壁厚為5 mm，中部孔直徑為20 mm，在鋼管壁上布置3 排直徑為5 mm 卸壓小孔，孔間距為0.3 m，超前管棚端頭設置為絲扣結構，絲扣長度為0.3 m[1-2]。

2）巷道迎頭每排布置10 根超前管棚，管棚支護體布置間距為0.5 m，布置仰角為3°，對于嚴重破碎區頂板管棚施工后無法固定時在端頭安裝一個固定套頭，并采用錨桿將其固定在巷幫上。

2.2 注漿錨索支護

由于受斷層應力破壞作用，頂板出現裂隙帶且與上覆采空區導通，導致頂板斷裂嚴重、承載強度低，施工錨桿（索）支護后錨固效果差，支護失效率高，所以決定對頂板施工注漿錨索支護。

1）注漿錨索代替原頂板單錨索，注漿錨索主要由中空錨索、止漿塞、注漿管等部分組成；中空錨索采用9 股直徑為5 mm 鋼絲反麻花式編制而成，中空直徑為8 mm，錨索直徑為25 mm，中部孔內安裝1 根注漿鋼管，錨索長度為8.3 m，錨索端頭為楔頭芯桿結構，在端頭布置主出漿孔和輔助出漿孔，如圖1 所示。

圖1 注漿錨索結構示意圖

2）在注漿錨索端頭采用直降塞進行封堵，錨索外端頭安裝托盤及鎖具，將注漿軟管插入錨索中部孔內，軟管一端與專用注漿泵連接，注漿材料選用馬麗散與催化劑混合的漿液[3-4]。

3）應力區頂板每排布置3 根注漿錨索，錨索布置間距為1.8 m，布置排距為3.0 m，錨索外露端安裝拱形預應力托盤，錨索預緊力為370 kN，錨索注漿壓力為6.5 MPa。

2.3 桁架錨索支護

由于受斷層牽引作用巷道進入斷層區后頂板主要受垂直應力作用，在垂直應力持續作用下位于巖層深部的錨桿（索）錨固段圍巖出現破裂，導致支護失效，所以決定對應力區頂板施工桁架錨索支護，削弱垂直應力作用[5]。

1）2210 巷頂板施工的桁架錨索主要由桁架錨索、墊片、拉緊器、圓鋼托架等部分組成，如圖2 所示，桁架錨索長度為4.0 m、直徑為17.8 mm，同一組錨索布置間距為2.0 m、排距為3.0 m。

圖2 2210 巷斷層區協同支護示意圖（單位：mm）

2）桁架錨索施工工序如下：首先在巷道應力區頂板施工一組桁架錨索支護孔，孔對稱布置，深度為4.0m，直徑為25 mm，錨索與頂板布置斜角為75°；鉆孔施工后對鉆孔內安裝3 支錨固劑，然后安裝錨索并通過鉆機進行攪拌錨固，錨索安裝后外露長度控制在0.25m；同一組錨索安裝后在錨索外露端依次安裝圓鋼托架、張拉器，在托架與頂板之間安裝墊片，最后對錨索施加水平張拉力。

2.4 架設矩形鋼棚

為了進一步提高頂板穩定性，解決因構造應力作用下兩幫煤柱支撐強度降低，導致頂板出現下沉、斷裂等技術難題，決定對構造區架設密集矩形鋼棚。

1）架設的矩形工字鋼棚主要由U29 型鋼棚腿共計2 根、槽鋼頂梁1 根、底座2 個、拉桿2 根、卡纜若干個；其中棚腿長度為3.2 m，頂梁長度為4.2 m，拉桿長度為1.0 m。

2）工字鋼棚架設工序：首先在架棚區平整巷道底板，確保底座安裝在堅硬底板上，底座采用地錨進行固定；底座安裝后依次安裝棚腿、頂梁，棚腿與底座之間采用螺栓進行固定，棚腿與頂梁之間采用卡纜進行固定；待頂梁安裝后在相鄰2 架鋼棚棚腿之間采用拉桿進行固定。

3 實際應用效果

2210 巷過斷層應力區時對應力區巷巷道頂板114 m 處和120 m 處分別安裝了一套數顯離層儀以及一側幫部變形監測儀，測點編號分別為1 號、2 號，并進行30 d 現場觀察，取得了以下顯著應用成效：

1）通過現場觀察發現，在未采取聯合支護的1 號測點巷道掘進后在前10 d 范圍內圍巖出現嚴重下沉、變形現象，最大下沉量達270 mm，錨桿（索）失效率達19%；在10～25 d 范圍內頂板下沉速率逐漸減??；在25 d 后頂板趨于穩定，實測頂板最大下沉量為360 mm，在25 d 后圍巖與支護實現局部耦合支護作用。

2）采取協同支護技術后巷道在前7 d 范圍內同樣出現蠕動變形，變形量為120 mm；在7～12 d 范圍內頂板變形速率降低；在12 d 后頂板區域穩定，頂板最大變形量為170 mm，頂板錨桿（索）失效率為3%，采用協同支護后蠕動變形頂板提前實現了耦合支護作用。

3）2210 巷斷層區采取協同支護后，保證了巷道掘進安全，降低了巷道修復量及勞動作業強度，減少巷道維修費用達17.9 萬元，巷道掘進速度由原來的2.4 m/d 提高至6.0 m/d。

4 結語

燕子山礦對2210 巷掘進過斷層區時提出了以超前管棚、注漿錨索、桁架錨索、工字鋼棚為一體的協同支護技術，通過現場實際應用效果來看，協同支護技術解決了大應力圍巖支護質量差、圍巖變形控制效果差、巷道掘進效率低、危險系數高等技術難題，實現了巷道過斷層應力區安全快速掘進的目的，為類似地質條件下巷道掘進提供了實踐依據。