山西塔山煤矿2203巷掘进过断层带联合支护方案设计

陈　吉

(山西宏宇诚铸建设工程有限公司)

巷道在掘进期间会经常遇到断层、陷落柱、地堑等地质构造，受构造应力及采动压力的影响，掘进巷道顶板会出现破碎现象，顶板一定范围内会形成破碎松动圈，松动圈内岩体成破碎状，胶结稳定性差且极易发生塑性变形，大大提高了巷道破碎顶板的维护难度，若支护方案选择不合理、支护措施不到位，极易发生矿井重大安全事故(如顶板大面积垮落等)[1-5]。因此，在巷道掘进通过构造带时，有必要预先了解巷道顶板岩性及破碎情况，根据实际生产情况制定合理有效的巷道掘进支护方案[6-7]。本研究以山西塔山煤矿2203巷为例，通过分析该巷道在掘进通过断层带时原支护方案存在的不足，并重新设计联合支护方案，为确保巷道安全、快速掘进，提高巷道破碎顶板稳定性提供有力保障。

1　工程概况

塔山煤矿位于大同市南郊区以南15 km，矿井设计生产能力为30 Mt/a，采用平硐开拓方式，矿井内共分4个盘区，分别为一盘区、二盘区、三盘区以及雁崖扩区，盘区回采煤层为3-5#石炭系煤层，煤层平均厚度为11 m。

2203巷位于井田二盘区南翼，巷道以南为实煤区，巷道以北依次布置有盘区回风巷、盘区辅运巷、盘区皮带巷，巷道以东为8202工作面，以西为8204工作面。2203巷设计长度为1 401 m，巷道断面规格为5.5 m×3.6 m(宽×高)。由于3-5#煤层内含有多层矸石，其中位于3.6～4.9 m处含有1层碳质泥岩，2203巷沿该岩石层平行掘进。该巷采用综合机械化掘进施工工艺，截至目前已掘进640 m。

根据塔山矿相关地质资料，2203巷掘进至650 m处将揭露1条正断层F3，断层落差为2.4 m，断层倾角为55°。施工巷道掘进至610 m处时顶板出现了局部破碎、煤壁片帮现象，顶板压力明显加大，随着该巷不断延伸顶板出现了大面积破碎现象；巷道掘进至640 m处，顶板出现了冒顶现象，最大冒落高度达到1.1 m。可见该巷道原支护方案无法满足需要，巷道掘进被迫停工。为确保该巷道能够安全快速掘进通过F3断层带，有必要对巷道原支护方案的不足进行分析，并重新设计支护方案。

2　2203巷顶板原支护方案及存在问题

2.1　2203巷顶板原支护方案

2203巷顶板原支护方案的主要内容为：①2203巷为矩形断面，原支护方案中巷道顶板采用锚杆、锚索、钢带、金属网进行联合支护，护帮采用单锚杆进行支护；②顶板锚杆采用长度为2.0 m，直径为20 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排布置6根，锚杆间距为1.0 m，排距为1.0 m；③顶板钢带长度为5.3 m，每根钢带焊制6个直径为25 mm的圆孔，圆孔间距为1.0 m，钢带与锚杆配套使用(图1)；④顶板单锚索采用长度为5.3 m、直径为17.8 mm预应力钢绞线，每排施工3根锚索，锚索间距为2.0 m，每隔4排钢带施工1组单锚索；⑤顶板金属网采用8#铅丝编制的菱形方格网，金属网规格为6.0 m×1.2 m(长×宽)，网间搭接宽度为0.2 m；⑥顶板锚索采用2支型号为MSZ23/60型锚固剂进行锚固，锚固长度为0.9 m，锚杆采用1支MSZ23/60型锚固剂进行锚固，锚固长度为0.55 m[8-10]。

图1　2203巷原支护设计断面(单位：mm)

2.2　问题分析

(1)2203巷设计高度为3.6 m，巷道掘进煤层厚度为11 m，巷道顶板预留煤层厚度为7.4 m，当施工巷道在揭露F3断层时顶板出现冒落现象，平均冒落高度为1.2 m，冒落后顶板预留煤层厚度为6.2 m。原支护方案中设计的锚索长度为6.3 m，采用该锚索支护顶板时锚索的锚固端处于煤层与直接顶交界处，受构造应力影响，锚索锚固效果差，且锚索直径为17.8 mm，锚索屈服强度低，在断层带附近顶板压力加大，锚索便出现拉断现象。

(2)施工巷道掘进煤层为石炭系煤层，煤层发育不稳定，煤层胶结稳定性差，巷道顶板岩层成破碎状态，若仅采用单一锚杆、锚索支护后，顶板塑性变形会较严重，巷道顶板随着时间推移下沉量逐渐加大，不仅威胁着巷道施工安全，而且不利于后期顶板维护。

(3)在揭露断层带期间，巷道顶板的破碎深度为0～2.0 m，而原支护方案中顶板的锚杆设计长度为2.0 m，锚杆锚固端位于顶板破碎岩体内，不仅支护难度大，而且支护效果差。

(4)原支护方案中锚杆、锚索均采用中速型锚固剂(MSZ型)，完全锚固时间为10～15 min。巷道在过断层带时顶板出现了破碎、离层现象，中速锚固剂锚固效果差且锚索、锚杆的锚固长度相对较短，无法满足生产需要。

3　联合支护方案设计

为确保2203巷掘进过断层带施工安全及提高顶板稳定性，本研究设计采用以施工交错式悬吊钢带、注射膨胀剂、架设π型钢棚为主的联合支护方案。

3.1　永久支护优化设计

为提高锚索支护效果，巷道在过断层带期间，将原支护方案中的锚索更换为长度为8.3 m、直径为21.6 mm预应力钢绞线，锚索排距缩短为2.0 m。在巷道掘进过F3断层带期间，采用长度为3.0 m加长锚杆代替原支护设计中的锚杆，使得锚杆的锚固端位于稳定煤岩体内，提高锚杆的支护效果。为提高锚杆、锚索的锚固强度，顶板锚杆(索)采用型号为快速型(MSK)及超快型(MSKC)锚固剂，即每根锚索采用2支MSK23/80型和1支MSKC23/60型锚固剂，锚固长度不宜小于1.8 m；每根锚索采用1支MSK23/80型和1支MSKC23/60型锚固剂，锚固长度不宜小于1.2 m。

3.2　施工交错式悬吊钢带

2203巷掘进至640 m处顶板永久支护施工完毕后，施工交错式悬吊钢带(纵横钢带交错布置)，每根钢带采用4根锚索进行悬吊。首先在顶板施工4根单锚索，锚索长度为3.5 m，锚索间距为1.6 m，锚索外露长度为1.5m，锚索排距为2.0 m。当3排锚索施工完毕后在其下方吊挂钢带，横向钢带垂直于施工巷道布置，钢带长度为5.0 m，钢带上焊制4个圆孔，圆孔间距为1.6m，横向钢带排距为2.0 m。沿巷道掘进方向吊挂3根纵向钢带，纵向钢带长度为4.5 m，钢带上焊制3个圆孔，圆孔间距为2.0 m，纵向钢带排距为1.6 m(图2)。纵横钢带成“井”字型布置，钢带吊挂位置位于巷道设计顶板处，钢带吊挂后在其上方依次铺设风带、金属网。

3.3　注射膨胀剂

为防止破碎顶板发生塑性变形，交错式钢带悬吊后，在钢带与顶板之间注射膨胀剂。2203巷填充的膨胀剂主要为罗克休产品，该产品主要由树脂和催化剂以4∶1的体积比相混合而成。2203巷采用型号为ZQB-5-6Q气动注浆泵注射罗克休膨胀剂，采用矿井压风作动力，压力不宜小于0.4 MPa。顶板破碎区域填充罗克休后，能够在极短时间内快速反应生成泡沫，发泡后体积快速膨胀达到原体积的25～30倍，膨胀后在数分钟内硬化。

图2　2203巷交错式悬吊钢带平面示意(单位：mm)

3.4　架设π型钢棚

π型钢棚主要由π型顶梁、棚腿以及底座组成，钢棚成矩形，π型顶梁长度为5.2 m，棚腿长度为3.5 m，棚腿中部及顶梁中部分别焊制1个直径为25 mm圆孔，底座采用规格为0.4 m×0.4 m×0.08 m(长×宽×厚)钢板焊制而成。破碎顶板处膨胀剂注射后，应及时在其下方架设π型钢棚，首先安装钢棚底座，底座安装于巷道底板平稳位置，并采用地锚将其与底板进行固定。钢棚底座安装后分别安装两侧棚腿，棚腿与底座之间采用双向固定螺母进行连接，螺母预紧力不宜小于150 N·m。为确保棚腿稳定牢固，在每根棚腿中部施工1根锚杆将其与巷帮进行固定(图3)。

当棚腿安装后在2根棚腿之间安装π型顶梁，顶梁与棚腿之间采用卡缆进行固定连接并进行预紧，预紧力不宜小于200 N·m，顶梁安装后在其中施工1根固定锚杆将其与顶板进行固定。π型钢棚间距为1.0 m，钢棚与钢棚之间采用连接杆进行固定连接，在过F3断层带期间共需架设20架π型钢棚。为保证钢棚与巷道顶板及巷帮接触严实，钢棚架设后在钢棚与巷道间隙处填充水泥背板，水泥背板长度为1.2 m，宽度为0.4 m。

4　结　语

为确保塔山矿2203巷安全快速掘进通过断层带，针对该巷道在掘进初期出现的巷道围岩不稳定现象，详细分析了巷道原支护方案存在的问题，并重新设计了包含施工交错式悬吊钢带、注射膨胀剂、架设π型钢棚的联合支护方案。实践表明，该方案应用后使得2203巷顺利掘进通过了断层带，有效确保了巷道顶板稳定，可供类似矿山巷道掘进支护设计借鉴。

图3　2203巷掘进过F3断层带时的联合支护断面(单位：mm)

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