掘进巷道过断层破碎带安全措施研究

苏张锋

（晋城宏圣建筑工程有限公司 ，山西 晋城 048000）

1 工程概述

寺河煤矿位于山西省晋城市沁水县嘉峰镇，矿井设计生产能力为10.8.0Mt/a，井田面积约为230km2，全井田可采煤层分为3#、9#、15#煤层，煤层总厚度10.32m，目前主回采煤层为3#煤层，平均厚度为6.31m。矿井设计为斜井立井综合开拓方式，综合机械化开采，采区布置分为东区、西区、北区三个部分。

寺河矿东六盘区东回风大巷位于+380水平，工作面以东为矿界、西为东井区东回风二巷（已掘）、北为+380水平回风巷（未掘）。巷道设计长度为360m，巷道为矩形断面，断面规格为宽×高=5.0×4.5m，巷道直接顶主要以炭质泥岩为主，泥岩厚度为3.2m，基本顶主要以细砂岩为主，平均厚度为11.8m，该巷道由晋城宏圣建筑工程有限公司承包施工；巷道初步支护设计中顶板采用单锚杆及锚索支护，锚杆采用直径为22mm，长度为2.4m左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚索采用直径为21.6mm，长度为7.3m预应力钢绞线，截至目前巷道已掘进170m。

根据寺河煤矿地测科提供资料显示，东回风大巷掘进至375m处将揭露一条正断层F7，断层落差为1.5m，倾角为55°，如图1所示；受构造应力影响，巷道掘进至352m处顶板开始出现破碎，顶板岩体单轴抗压强度仅为6.7MPa，且顶板下沉现象严重，最大下沉量达0.47m，巷道原支护设计无法满足支护要求。

图1 寺河煤矿六盘区东回风大巷F7断层剖面示意图

2 破碎顶板联合控制措施应用

晋城宏圣建筑工程有限公司常店项目部通过研究，决定采用强行破岩法过F7断层，为了保证巷道过断层期间施工安全，在过断层前后15m范围内对破碎顶板采用“注浆+施工撞楔加长锚杆支护+架设“π”型工字钢棚”等联合方法进行维护。

2.1 注浆支护

由于受构造应力影响，顶板原岩出现严重破碎现象，破碎岩体单轴抗压强度及承载能力大大降低，造成原顶板支护质量差、支护失效现象严重，所以可通过注浆法提高破碎岩体胶结稳定性及承载能力。

1）东回风大巷掘进至360m处（距F7断层15m）开始对破碎顶板施工注浆钻孔并进行注浆，工作面每排布置4个钻孔，钻孔直径为55mm，钻孔深度为8.0m，钻孔间距为1.2m钻孔布置在距巷道顶板1.0m处且与顶板成30°夹角布置，如图2所示。

2）钻孔施工完后采用高压注浆泵向钻孔内注射马丽散与催化剂配比为1：1的混合液，在注浆过程中发现岩体出现浆液渗透现象时立即停止注浆并对钻孔采用黄泥砂浆进行封堵，待注浆2h后方可继续掘进。

3）第一排钻孔注浆完成且巷道掘进5.0m后，开始施工第二排注浆钻孔并进行注浆工序，相邻两排注浆孔水平方向交错2.0m布置。

2.2 撞楔超前加长锚杆支护

由于顶板相对破碎，为了防止巷道在掘进期间顶板出现垮落事故，晋城宏圣建筑工程有限公司常店项目部决定在巷道掘进前在巷道设计顶板位置施工一排撞楔超前加长锚杆支护。

1）东回风大巷采用的撞楔超前加长锚杆支护主要由若干根长度为4.5m，直径为22mm的加长锚杆组成。

2）首先在巷道设计顶板位置施工一排超前支护钻孔，钻孔深度为4.0m，钻孔直径为30mm，钻孔垂直工作面布置，每排施工10个钻孔，钻孔间距为0.5m。

3）超前支护钻孔施工完后依次在钻孔内填装锚固剂及钢针并进行锚固，每个钻孔填装三支锚固剂，从孔底往外依次为两支MSK23/35型和MSZ23/60型。

4）第一排超前支护施工完后巷道继续掘进，当巷道掘进1.0m后在顶板施工永久支护时采用钢带及锚杆将超前支护与顶板固定预紧，每掘进1.0m施工一根钢带，当巷道掘进3.5m时巷道设计顶板开始施工第二排撞楔超前支护，且与第一排叠加交错布置，叠加长度为1.0m。以此类推直至巷道完全过断层破碎带且顶板稳定后停止施工超前支护。

2.3 架设“π”型工字钢棚

为了进一步提高顶板稳定性，防止顶板下沉，晋城宏圣建筑工程有限公司常店项目部通过研究决定，在东回风大巷破碎顶板注浆支护、永久支护以及超前支护施工完后决定在其下方架设“π”工字钢棚。

1）东回风大巷破碎顶板架设的“π”型工字钢棚主要由四节棚腿、一节“π”型顶梁以及两个棚腿底座组成，每节棚腿由11#工作钢梁组成，棚腿长度为2.5m，每两节棚腿通过滑槽及卡缆连接固定，伸缩长度范围3.0-5.0m；顶梁长度为4.8m，棚腿底座采用规格为长×宽×厚=300×300×5mm钢板制成。

2）首先在架设钢棚处巷道两帮底板进行起底施工棚腿基础坑，起底规格为长×宽×深=300×300×200mm，起底后将棚腿底埋入基础坑内并采用强度为C30混凝土进行浇筑。

3）棚腿底座安装后依次安装棚腿，棚腿与底座之间采用两根固定锚栓进行连接预紧，两节棚腿之间采用卡缆固定，棚腿安装后为保证棚腿稳固在棚腿与巷帮之间施工两根长度为1.0m固定锚杆并采用卡缆固定，如图2所示。

图2 寺河煤矿东回风大巷断层破碎带联合支护断面图

4）棚腿安装后将“π”型顶梁与其对接并采用卡缆预紧固定，预紧力不得低于200N.m

5）第一架钢棚架设完后开始架设第二架钢棚，相邻两架钢棚间距为1.0m，待所有钢棚架设完后在相邻两架钢棚顶梁之间铺设长度为1.5m，宽度为0.3m水泥背板，水泥背板铺设完成后通过调节棚腿滑槽升降器将顶梁升起，确保水泥背板与巷道顶板接触严实。

3 应用效果分析

1）东回风大巷在掘进期间，对断层带附近顶板破碎岩体采取注浆支护，有效提高了顶板胶结稳定性，通过实验观察发现注浆后顶板破碎岩体单轴抗压强度提高至18.2MPa,在过断层期间顶板未出现局部破碎、冒顶现象。

2）通过施工撞楔超前加长锚杆支护对破碎顶板进行超前维护，有效避免了顶板破碎支护措施不及时，造成巷道掘进期间工作面迎头煤壁片帮、顶板垮落事故发生；实践证明东回风大巷施工撞楔超前支护后工作面在过F7断层期间工作面煤壁片帮得到很好控制，顶板未发生一起垮落事故。

3）通过架设密集“π”型钢棚对断层破碎带顶板进行支护，进一步提高了顶板整体稳定，对顶板下沉、变形现象得到了有效控制，东回风大巷架设钢棚后对其顶板进行三个月观察发现，在第一个月内由于受掘进影响，巷道围岩应力重新分配，顶板下沉量相对较大，最大下沉量为0.12m，在第二个月内顶板基本趋于稳定，顶板下沉量较小，下沉量为0.05m，第三个月内顶板岩体应力得到平衡，下沉量为0。

4 结束语

晋城宏圣建筑工程有限公司常店项目部通过技术研究，对寺河煤矿东回风大巷过断层破碎带期间，对破碎顶板采取“注浆+撞楔超前加长锚杆支护+架设π型钢棚”等联合维护措施，实际应用效果表明，采取联合措施后大大提高了破碎顶板稳定性，避免了顶板冒落事故发生，提高了巷道过断层期间掘进效率，取得了显著成效。