掘進巷道過斷層圍巖支護技術研究

李錫凱

（山西汾西宜興煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

0 引言

斷層是煤炭采掘活動常見地質構造，掘進巷道過斷層時往往面臨掘進效率低下、圍巖破碎以及支護難度大等問題，同時在過斷層期間在構造應力、地應力及掘進擾動等多因素影響下，掘進迎頭容易出現冒頂事故，給掘進安全帶來較大威脅[1-3]。眾多的學者及工程技術人員對巷道掘進過斷層圍巖應力演化、支護技術等展開研究，并總結歸納巷道過斷層期間圍巖應力、位移變化規律；針對圍巖破碎、變形量大以及容易冒頂等問題，提出采用管棚、超前注漿、耦合支護等多種技術手段控制圍巖，現場應用取得較好應用成果[4-8]。山西某礦11505 運輸巷掘進范圍內地質構造發育，掘進期間會揭露多條段斷層，給巷道掘進安全及掘進效率等均帶來制約，文中就11502 運輸巷掘進過斷層時采取得圍巖支護技術展開闡述。

1 11505 運輸巷概況

11505 運輸巷設計掘進長1817 m，矩形斷面（寬×高=4500 mm×3000 mm），巷道沿11 號煤層底板掘進。11 號煤賦存穩定，依據鄰近采面（11502 工作面）及待采的11503 工作面回采巷道掘進揭露情況，預測11505 工作面回采范圍內11 號煤層厚度介于7.24～8.59 m，煤層結構復雜，中間夾雜3～6 層碳質泥巖、粉砂巖及泥巖矸石，夾矸層厚度合計0.58～1.23 m。11 號煤層頂底板巖性參數如表1 所示。

表1 11 號煤層頂、底板巖性

依據已有物探資料以及鄰近采掘工作面揭露現實，預計11505 運輸巷在掘進期間會揭露多條斷層，具體揭露的部分斷層參數如表2 所示。其中F1、F2 及F3 斷層落差在0.45～0.79 m 以內，對巷道掘進影響較小；F4、F5 斷層落差在1.1～1.7 m，對巷道掘進影響程度中等，且巷道均已順利通過上述斷層；在巷道掘進前方賦存的F6 斷層預計落差為5.2～8.6 m，斷層給巷道掘進帶來較大影響。因此，需要針對F6 斷層賦存特點及對巷道掘進影響，針對性采取圍巖支護技術。

2 巷道掘進過斷層圍巖控制技術

2.1 斷層參數探測

由于F6 斷層參數僅通過已有的物探資料大致確定，具體賦存參數不詳，為精準掌握F6 斷層賦存情況，在11505 運輸巷掘進距F6 斷層5 m 時，用鉆探探測F6 斷層。迎頭布置2 個鉆孔，分別在左幫、右幫距離頂板1 m 位置，傾角分別為2°、10°，沿著巷道掘進方向布置，具體探測鉆孔揭露斷層情況如圖1 所示。通過布置探測鉆孔確定F6 斷層落差為6.5 m，斷層破碎帶寬度約為5.0 m，在上下盤靠近斷層破碎帶位置煤巖體破碎，巷道成孔較差。預計11505 運輸巷在F6 斷層影響范圍內掘進時容易出現冒頂、片幫等問題。

圖1 巷道迎頭探測鉆孔布置示意圖

2.2 巷道圍巖支護技術

11505 運輸巷掘進用EBZ-200 綜掘機，由于F6斷層為正斷層，巷道由上盤進入下盤，因此巷道掘進時需要破頂。在F6 斷層影響范圍內圍巖破碎，因此用注漿+超前鋼管方式加固破碎圍巖，后用錨網索進行永久支護。

2.2.1 超前注漿

11505 運輸巷與F6 斷層相距5 m 時，即在掘進迎頭布置注漿孔對斷層影響區進行加固，提高斷層影響范圍內破碎、不穩定煤巖體強度及承載能力。具體迎頭注漿采用的設備及注漿材料如表3 所示。

表3 注漿設備及參數

在11505 運輸巷迎頭頂板布置按照1200 mm 間距布置4 個注漿鉆孔，鉆孔仰角均為30°；在巷幫位置各布置3 個注漿鉆孔，注漿孔平行巷道掘進方向且與巷幫間有30°外插角。具體注漿參數如表4 所示。

表4 注漿參數

2.2.2 超前鋼管支護

在11505 運輸巷過F6 斷層時圍巖破碎，頂板巖性以破碎的泥巖、碳質泥巖及中粒砂巖等為主，根據11505 運輸巷及F6 斷層影響范圍內現場情況，提出通過超前管棚對F6 斷層破碎煤巖體進行加固，避免巷道掘進時出現冒頂問題。在斷層破碎帶支護采用的超前鋼管規格為Φ40 mm×2000 mm，超前鋼管均布置在迎頭頂板上，布置間距為300 mm、仰角30°。在過斷層期間適當縮小掘進進尺，控制在800 mm 內，掘進迎頭空頂距控制在200～1000 mm。具體巷道過斷層期間超前鋼管布置如圖2 所示。

巷道掘進后采用全錨索支護并用錨網強化圍巖表面支護強度。頂板支護用4 根Φ17.8 mm×6300 mm錨索、2 根Φ17.8 mm×11800 mm 錨索，間排距分別為1200 mm、1200 mm，2400 mm、2400 mm，支護用錨索用W 鋼帶（220 mm×4 mm×4400 mm）連接；錨索施加超過130 kN預緊力。巷幫用Φ18 mm×2200 mm錨桿支護，間排距1200 mm、1200 mm。頂板及巷幫全斷面鋪設金屬網。

3 圍巖支護效果分析

為掌握11505 運輸巷過F6 斷層期間圍巖控制效果，在斷層影響區內按照5 m 間距布置2 個觀測點，具體監測得到頂板下沉結果如圖3 所示。從監測結果看出，2 個觀測點頂板下沉量變化曲線基本一致且變形量相差在5 mm 以內；圍巖支護完成40 d 后頂板下沉量基本趨于穩定，期間監測到頂板最大下沉量分別在89 mm、85 mm，頂板巖層保持穩定，金屬網未有網兜情況出現；巷道在斷層影響區內掘進時迎頭煤壁以及破碎頂板始終保持穩定，未有冒頂或者片幫征兆。現場應用表明，在巷道過斷層破碎帶時，采用超前注漿、超前鋼管組合方式可實現破碎頂板有效控制，避免掘進期間出現冒頂、片幫問題，同時使用全錨索對頂板進行永久支護，可避免變形量大問題。

4 結論

1）11505 運輸巷掘進會揭露F6 斷層，采用鉆探方式F6 斷層賦存情況及參數，發現F6 斷層影響范圍內頂板破碎，在構造應力、地應力及掘進擾動等綜合作用下容易出現冒頂、片幫以及圍巖變形量大等問題，給巷道掘進安全及后續使用帶來影響。根據現場條件提出通過超前注漿+超前鋼管方式對破碎頂板進行控制，避免掘進時出現冒頂或者片幫等問題；頂板用全錨索+W 鋼帶+金屬網方式實現圍巖變形量控制。

2）對超前注漿、超前鋼管及巷道永久支護方案進行設計，現場應用后，11505 運輸巷在F6 斷層影響范圍內掘進期間頂板及迎頭煤巖體始終保持穩定，未有冒頂或片幫征兆出現；同時支護完成后巷道頂板最大下沉量控制在89 mm 以內，圍巖變形量整體較小。