断层带附近巷道变形顶板控制技术

李帅帅

（山西长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048000）

受构造应力、采动应力影响，断层带附近的煤岩应力发生变化，当掘进工作面推进至断层带附近时经常出现顶板下沉、破碎、片帮的情况。随着工作面的继续推进，受采动影响顶板压力会逐渐增大，顶板破碎面积也会继续扩大，顶板裂隙便向煤岩深处延伸，当裂隙深度达到锚索及锚杆的锚固端后，锚杆便无法对破碎顶板起到悬吊作用，进而发生顶板大面积垮落。为了保证掘进巷道过断层期间顶板的稳定性，提高巷道成型率，必须采取合理有效的安全技术措施，才能控制断层带处围岩变形，从而提高巷道围岩的整体稳定性。

1 长平煤矿五盘区辅运巷概述

长平煤矿五盘区辅运巷位于盘区南翼，巷道东西走向布置，巷道设计长度为1 800 m，巷道设计断面规格为5.4 m×3.6 m，巷道掘进煤层为3号层，巷道直接顶主要以砂质泥岩为主，平均厚度为4.6 m，基本顶主要以粉砂岩、泥岩混合岩层为主，平均厚度为8.9 m，截至目前巷道已掘进750 m。

根据辅运巷掘进期间的钻探资料显示，巷道掘进至762 m处将揭露一条F8正断层，断层与巷道呈斜角布置。受断层影响，巷道掘进至748 m处时出现围岩变形现象，通过现场对围岩变形情况进行监测发现，巷道掘进至750 m处时顶底板移进量为0.45 m，两帮收缩量为0.58 m，而且顶板中部出现断裂、破碎现象，原顶板锚杆、锚索的支护对破碎顶板支护效果差，锚杆失效率高，严重威胁着巷道安全快速地掘进。

2 原巷道支护设计及问题分析

2.1 巷道原支护设计

1）顶板支护。原巷道顶板主要采用锚索、锚杆、金属网联合支护。顶板每排布置5根锚杆，锚杆间距为1.1 m，排距为1.0 m，锚杆长度为2.0 m，直径为22 mm；顶板每排布置2根锚索，锚索间距为2.6 m，排距为3.0 m，锚索长度为5.3 m，直径为17.8 mm。

2）护帮支护。原巷道巷帮采用单锚杆支护方式，巷道两帮各施工三排护帮锚杆，锚杆间距为1.1 m，第一排锚杆距顶板间距为0.5 m，锚杆排距为1.0 m，每根锚杆外露端安装一根长度为0.45m的'W'型小钢带。

3）每根锚杆采用一支MSK23/60型锚固剂锚固，而每根锚索采用2支（35型、60型）锚固剂锚固，锚杆的外露端必须在10 mm至30 mm之间，锚索的外露端必须在150 mm至250 mm之间；锚杆（索）锚固后需进行拉拔实验，确保预紧力达到设计要求。

2.2 原支护主要存在的问题

1）在辅运巷断层破碎区域内施工多个观测孔，通过观察发现顶板往上1.8 m的范围内均存在破碎情况，且比较严重，原岩的胶结性差，且原支护采用2.0 m的锚杆，锚杆的锚固端未能与坚硬的原岩紧固，导致锚杆不能对顶板起到很好的悬吊，对顶板破碎情况无法控制。

2）原支护设计中采用5.3 m的锚索，锚索的锚固端位于直接顶与基本顶间，根据地质资料显示，直接顶与基本顶间夹杂着一层煤层，该薄煤层煤质松软且胶结性差，很容易发生离层现象，锚索的锚固端位于离层段无法起到有效支护作用。

3）受F8断层构造应力作用，断层两盘处煤岩体处于断裂错位状态，构造应力在断层处对两盘岩体产生水平剪切破坏作用，导致掘进迎头煤壁及顶板破碎严重，采用传统锚杆（索）支护效果差，无法对变形围岩进行有效控制。

3 变形围岩联合控制技术

3.1 注浆施工

1）当掘进工作面推进至断层带附近时，在顶板往下1.0 m的位置处施工三个与工作面呈25°的钻孔，相邻钻孔之间的距离为1.5 m，巷帮两侧钻孔与巷帮的夹角为35°，所有钻孔的深度均为5.0 m，如图1所示。

图1 五盘区辅运巷过F8断层期间联合支护断面示意图（mm）

2）当所有钻孔施工完毕后，将预先混合好的聚氨酯粘接剂通过注浆泵注入钻孔内，当钻孔附近的煤壁内有粘接剂渗出时要及时停泵，并对钻孔进行封堵。

3）待钻孔内的粘接剂全部凝固后，掘进工作面方可继续推进，掘进的同时还需对煤壁内的粘接剂进行观察，一旦发现破碎顶板内的粘接剂变少或消失要及时停止掘进，并开始进行下一轮的注浆工序。

3.2 施工人工假顶

当巷道掘进至断层带处时，顶板出现严重破碎且无法预留，需对破碎顶板施工人工假顶进行维护。

1）首先在破碎区域施工两根锚索，锚索长度为4.5 m，直径为17.8 mm，锚索施工后外露长度控制在0.3~0.5 m范围内，锚索间距为2.5 m。

2）将3.5 m长的工字钢梁安装在锚索下方，工字钢梁的安装位置需与顶板平齐，相邻钢梁的布置距离为1.5 m。

3）将直径与长度分别300 mm、2.0 m的半圆木铺设在工字钢梁上方，并对铺设完的圆木进行检查，确保圆木与顶板接触严密。

3.3 架设工字钢棚

为了进一步提高断层处顶板稳定性，巷道顶板注浆及人工假顶施工完成后，在巷道内架设一排密集工字钢棚，从而提高巷帮岩体支撑强度。

1）钢棚主要由顶梁与棚腿构成，根据巷道断面尺寸将钢棚的宽度设计为4.8 m，钢棚的高度可以根据巷道的高低进行调节。

2）利用巷帮的锚杆将棚腿进行固定，并按照1.0 m的间距连续铺设三架钢棚，将4根工字钢梁铺设在这三架钢棚上，并用卡缆将纵梁与钢棚固定，并通过调节棚腿的高度来调整假顶与顶板间的接触面积。

3）将所有钢棚与巷帮的间隙都采用长度为1.2 m，宽度为0.3 m的水泥背板进行填充，确保水泥背板与巷帮紧密接触。

3.4 原顶板锚杆支护优化

为了解决传统锚杆在应力区支护时锚杆长度不足、锚固效果差、锚杆柔性差等技术难题，决定在F8断层带附近顶板施工锚索代替传统锚杆来进行优化，锚索长度为3.5 m，直径为21.6 mm，每排布置5根，锚索间距×排距=1.1 m×1.0 m，每根锚索采用3支锚固剂进行锚固。

4 应用效果

截至2019年3月27日，五盘区辅运巷已掘进至840m，且过F8断层影响区（实际影响区长度为43 m）。对断层区巷道围岩采取'注浆+人工假顶+架设工字钢棚'联合支护技术后，在断层影响区巷道每隔10 m安装一台围岩监测仪，通过15 d观察发现，断层区围岩变形现象得到有效控制，顶底板移近量控制在0.16 m以下，两帮收缩量控制在0.22 m以下，大大提高了巷道围岩成型率，取得了显著应用成效。