巷道过断层破碎带掘进与支护技术研究

张 勇

（山西潞安工程有限公司，山西 长治 046100）

1 工程概况

郭庄矿地质构造复杂，3#煤层煤质松软，顶板含厚度不稳定的泥岩层。2112工作面北部坡度变化较大，根据三维地震资料，2112工作面内底板起伏变化较大，多形成褶曲结构，褶曲结构区域内顶板裂隙发育，巷道煤岩体松软破碎，极易出现片帮、冒顶现象。2112工作面共存在7个小型断层，各断层发育情况如表1所示。工作面在揭露断层位置，煤体破碎，掘进工作面通过断层构造区域时，支护困难，需进行加强支护。

2 巷道过断层破碎带掘进技术方案

2.1 巷道断面设计

2112工作面回采巷道在掘进过程中遇夹矸，由于夹矸赋存区域破碎严重，若巷道采用矩形断面，随着工作面的推进，巷道顶板极易垮落。因此，为提高巷道围岩的稳定性，可将巷道易冒段设计为直墙拱形断面。直墙拱形断面的拱顶能够在巷道顶部预留一定的“让”压空间，当顶板沿垂直方向产生形变时，各岩层之间可形成一定范围的挤压拱，并与顶板锚杆所形成的压缩拱形成组合拱结构，增强巷道围岩的承载能力，降低顶板冒落范围。

表1 断层发育一览表

在围岩破碎区域，为降低应力叠加效应，促使围岩中的高应力得到有效释放，需适当加大巷道断面的宽度。设计巷道顶板与两帮的预留变形量均为150mm，考虑到巷道顶板与两帮注浆支护厚度为150mm，底板混凝土厚度为300mm，可设计巷道断面开挖规格为6200mm×5600mm。

2.2 分层台阶掘进技术

对于直墙拱形巷道的开挖，常用的施工工艺为全断面掘进一次成巷，通过综掘机或钻眼爆破掘进施工，切割形成直墙拱形巷道。该工艺能够大大提高掘进效率，但针对围岩破碎区域极易引起顶板大面积冒落。因此，可采用分层台阶掘进技术进行直墙拱形的巷道开挖，沿巷道断面分步开挖，使其逐步成形。施工时，依次对巷道上分层与下分层开挖、支护，通过降低掘进扰动的强度和影响，保证巷道围岩的稳定性。

3 巷道过断层破碎带支护技术方案

3.1 超前管棚预加固技术

沿巷道开挖轮廓线布置超前钻孔，在超前钻孔内安装超前管棚。喷浆封闭后，再利用超前管棚进行注浆加固。在形成的超前管棚结构维护作用下进行巷道的掘进和支护施工，可有效防止可能出现的顶板垮落问题[1]。

超前管棚施工采用规格为Φ60mm的钢管制作，管棚长度与搭接长度分别为30m、3.0m，各管棚间距为500mm。超前管棚布置示意图如图1所示。管棚管身设若干规格为Φ8～12mm的溢浆孔，各浆孔按梅花形排列，将管棚加工成锥形并封焊严实[2]。管棚加工示意图如图2所示。

图2 超前管棚加工示意图

在围岩破碎严重的区域内，在完成超前管棚的加固后，还需通过超前小导管进行预加固，增强围岩的承载能力。施工过程中，当钻孔中有水流渗出时，选用单液水泥进行注浆加固，钻孔中无水流渗出或者渗出水流极其微弱时，可选用双液水泥进行注浆加固处理[3]。

3.2 架设U型钢临时支架

巷道在通过断层破碎区域时，岩层松软分散，常用的主动支护形式如打设锚杆、锚索等难以起到有效的支护作用。对于直墙拱形巷道而言，U型钢支架结构能够有效适应巷道围岩变形，为围岩提供良好的支撑力。根据2112工作面回采巷道推进情况，需在巷道开挖后架设3～5排U29型钢支架作为临时支撑。为提高支架的稳定性，钢架间采用拉杆连接，各钢架排距为800mm。U29型钢支架临时支护示意如图3所示。在锚网喷初次支护后，可将U29型钢支架撤出，依次沿着巷道轴向往前移，直至将超前管棚加固范围内的巷道掘进完毕。

3.3 锚网喷初次支护

锚网喷进行初次支护时，锚杆选用规格为Φ22mm×2400mm的高性能螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800mm×800mm，杆体采用规格为Φ22mm的左旋无纵筋螺纹钢筋，保证锚固长度≥800mm，锚固力≥150kN，预紧力矩≥400N·m。托盘选用规格为150mm×150mm×8mm的拱型高强度托盘。锚网喷初次支护结构设计如图4所示。

金属网选用规格为Φ6.5mm钢筋焊接，网片与网孔的规格分别为4300mm×1100mm、100mm×100mm。网片之间通过勾接连接，勾接长度为100mm。

混凝土喷射强度等级为C30，配合比1:2:2，掺3%～5 %速凝剂，厚度100mm左右，保证内注浆锚杆孔口外露长度不少于30mm，以便于后期复注加固。锚网喷支护结构如图3、图4所示。

图3 U29型钢支架临时支护

图4 锚网喷初次支护结构

3.4 二次注浆加固

为保证巷道围岩结构的长期稳定性，在进行单一的锚网喷支护后，还需进行二次注浆加固。二次注浆加固采用低压浅孔充填注浆，低压浅孔注浆管选用规格为Φ38mm×1000mm的结构钢注浆管，风钻打眼的孔径、孔深与间排距分别为Φ45mm、2500mm和1600mm×1200mm。低压浅孔注浆管的布置如图5所示。

图5 低压浅孔注浆管布置示意图

现场施工中，采用单液水泥-水玻璃浆液进行注浆，水玻璃与水泥用量配比为1:20，注浆压力控制在1.5～2.0MPa之间。为保证喷层能够形成有效的固结[4-5]，要进行现场监测，保证浆液结石率≥92%。

4 监测效果分析

在巷道的顶板、巷帮等部位布置多点位移计，进行围岩松动圈的连续监测。在2112工作面支护完成后，布置了1组表面变形测点，监控围岩变形情况。通过为期15d的观测，绘制出巷道围岩变形量随天数的变化情况如图6所示。

图6 巷道围岩变形量

通过测站数据可以看出，在对2112工作面回采巷道支护完成后，顶板下沉量与两帮移近量大大减小，围岩稳定性得到了有效的控制。其中巷道顶板累计下沉量为17.5mm，在12d后逐渐趋于稳定，巷帮累计向内收敛量为6.2mm，在8d后逐渐趋于稳定。巷道顶板与两帮位移变化均稳定在一定范围内，巷道围岩变形情况得到了有效的控制。该工艺保证了巷道顶板和煤帮在回采期间的稳定性，控制效果良好，达到了设计施工要求。

5 结语

郭庄矿2112工作面回采巷道在通过断层破碎带时，顶板破碎严重，影响到工作面正常施工。为控制围岩变形情况，保证巷道稳定性，针对该掘进破碎区域，对巷道断面形状进行了调整设计，在掘进前期对巷道进行超前加固，适时实施锚网喷和注浆加固，构成锚固与注浆加固的动态迭加耦合支护结构，有效地控制了巷道围岩变形情况。