煤巷断层破碎带顶板支护技术应用实践

郝莹

（山西宏宇诚铸建设工程有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

麻家梁矿位于山西省朔州市朔南矿区南部，井田面积104.2877 km2，矿井设计生产能力为12 Mt/a，设计服务年限82 a。矿井采用立井双水平开拓，初期布置主立井、副立井、回风立井三个井筒，一个开采水平，布置两个生产采区，井田内主采石炭系的4#、9#煤层，煤层发育不稳定，成破碎状结构，煤层内含多层夹矸，以炭质泥岩为主，厚度在0.3～1.4 m之间。

14402运巷位于井田四采区，南接+665西辅运大巷，东、北、西均未开采，见图1。工作面北端西部距F34断层450 m，该断层落差70 m，工作面所在盘为断层下盘。巷道设计长度为2580 m，为矩形断面，断面规格为宽×高=5.0 m×3.6 m，施工巷道沿4#煤层顶板平行掘进。

图1 麻家梁矿四采区14402运巷布置

14402运巷无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为5.6 m，基本顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为7.2 m，直接顶与基本顶之间夹杂一层厚度为0.4 m煤层（不可采）。14402巷由山西宏宇诚铸建设工程有限公司矿建工程队采用EBZ-200型半煤岩掘进机掘进，截至目前巷道已掘进155 m。根据麻家梁矿地测科提供资料显示，14402巷在掘进过程中共揭露两条正断层（F1、F2），F1断层位于掘进巷道87 m处，断层落差为0.6 m，倾角为52°，对掘进影响不大，采用掘进机可直接推过，F2断层位于掘进巷道164 m处，断层落差为1.4 m，倾角为45°，对巷道掘进影响大。

2 14402运巷初步支护设计分析

2.1 14402运巷顶板初步支护设计

14402运巷初步支护设计中，顶板采用锚杆、锚索、钢带、金属网等联合支护，支护参数如下：

（1）顶板锚杆采用长度为2.4 m，直径为22 mm的螺纹钢锚杆，顶板每排施工5根，锚杆间排距为1.1 m×1.0 m。

（2）顶板钢带采用长度为4.8 m，宽度为0.25 m“W”型钢带，每根钢带采用5根锚杆将其与顶板进行锚固，钢带间距为1.0 m。

（3）顶板锚索采用长度为6.0m，直径为17.8mm预应力钢绞线，每排施工3根锚索，锚索间排距为2.0 m×3.0 m，锚索外露端采用规格为0.3 m×0.3 m钢方垫及锁具进行预紧。

2.2 初步支护设计在过F2断层中存在问题

（1）由于F2断层落差为1.4 m，巷道掘进至距断层带10 m处时顶板压力加大，通过对F1断层带附近顶板观测发现，矿压主要集中在巷道顶板中部，顶板中部出现下沉、破碎现象，破碎区域在顶板往上2.2 m范围内且范围不断扩大，而初步支护设计中顶板锚杆长度为2.4 m，锚杆锚固端位于破碎岩体内，锚杆支护无法形成组合梁，特别是对巷道顶板中部岩层支护效果差。

（2）随着巷道不断延伸，当巷道掘进至断层带处时巷道顶板出现大面积破碎现象，岩石层胶结稳定性大大降低，若仅采用钢带支护时，钢带支护强度低，不能长时间对破碎顶板进行有效维护，随着时间推移钢带会出现严重变形现象。

（3）巷道掘进至断层带处时直接顶与基本顶出现离层现象，而初步支护设计中锚索长度为6.0 m，锚索锚固端位于直接顶与基本顶之间，一旦顶板出现离层，锚索锚固作用完全失效，同时锚索直径为17.8 m，锚索屈服强度较低，在过断层期间会出现锚索拉断现象。

3 断层破碎带顶板支护技术研究

山西宏宇诚铸建设工程有限公司矿建工程队通过技术分析，在14402运巷过F2断层期间对原支护设计进行优化，并决定采用 “锚杆桁架+π型钢棚”联合支护对破碎顶板进行维护。

3.1 支护设计的优化

（1）掘进巷道过断层破碎带期间，顶板单锚索采用长度为8.3 m，直径为21.6 mm预应力钢绞线，同时为减少锚索锚固时间、提高锚固质量，每根锚索采用3支锚固剂，一支MSKC23/35超快型，两支MSKC23/80加长快速型，锚索排距缩短为2.0 m。

（2）为了提高锚杆锚固质量，将原支护设计中锚杆更换为加长左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆长度为3.2 m，直径为22 mm，每根锚杆采用2支锚固剂，一支MSKC23/35超快型，一支MSKC23/80快速型。

3.2 锚杆桁架支护

为了减小掘进巷道顶板中部应力集中现象，在过F2断层带时决定采用锚杆桁架支护，具体施工方法如下：

（1）锚杆桁架支护主要由两根倾角锚杆、两根拉杆、一个拉紧器和钢垫片组成。

（2）当施工巷道进入F2断层破碎区域时，锚杆锚索支护后在两排钢带中间距巷帮1.0 m处各施工一根倾角锚杆，锚杆长度为2.0 m，锚杆与巷道顶板夹角为60°。

（3）倾角锚杆施工完后在两根倾角锚杆外露端各安装一根拉杆并通过拉紧器进行连接。

（4）拉紧器拉力必须符合设计要求，确保两根倾角锚杆产生的倾向合力能够抵消顶板中部集中应力，同时确保拉杆能够对顶板起到支撑作用，在相邻两架锚杆桁架支护之间填塞金属垫片，见图2。

图2 14402运巷顶板锚杆桁架支护断面

3.3 π型工字钢棚支护

为了进一步提高破碎顶板稳定性，矿建工程队决定在14402运巷破碎顶板施工钢棚并铺设纵向工字钢梁及水泥背板。

（1）由于14402运巷宽度为5.0 m，传统的矩形钢棚顶梁承载能力相对较差，通过技术研究决定采用π型钢棚进行支护，π型工字钢棚主要由四节棚腿、一节π型顶梁、卡缆等组成。棚腿下端焊接一块规格为长×宽×厚=0.3 m×0.3 m×0.05 m钢板。

（2）当巷道进入断层破碎区域时，在巷道两帮底板处进行人工起底施工棚腿基础坑，起底规格为宽×深=0.3 m×0.3 m，起底后将棚腿埋入基础坑内并浇筑。

（3）两根棚腿安装固定后，在棚腿上方安装π型顶梁，顶梁与棚腿之间采用卡缆进行固定，顶梁安装后确保顶梁与顶板之间留有高度为0.15 m间隙,钢棚间距为1.5 m。

（4）相邻三架钢棚架设完后，在钢棚顶梁上方铺设长度为3.5 m横梁，横梁垂直π型顶梁布置，每三架钢棚上方铺设5根横梁，间距为1.0 m，横梁与π型顶梁采用卡缆进行固定，见图3。

（5）横梁铺设完后在其上方铺设水泥背板，背板规格为长×宽=4.8 m×0.5 m，背板与横梁垂直布置，水泥背板铺设后逐渐抬高π型顶梁，确保水泥背板与破碎顶板接触严实。

（6）所有π型工字钢棚架设完后，为保证钢棚稳定牢固，在相邻两架钢棚之间采用两组拉杆进行连接。

图3 四采区14402运巷π型钢棚支护断面、平面

4 结语

山西宏宇诚铸建设工程有限公司矿建工程队在施工14402运巷过F2断层期间，通过技术研究对断层破碎带顶板永久支护进行优化，同时采取了“锚杆桁架+π型钢棚”联合支护技术，实践证明采取联合支护技术后，降低了破碎顶板中部应力集中现象，阻止了顶板破碎范围不断扩大，提高了巷道顶板稳定，保证了巷道安全施工，取得了显著成效。同时为类似地质条件巷道掘进支护提供了借鉴。