掘进巷道过断层支护工艺优化

赵鸿亮，党 其

（1.晋能控股煤业集团恒泰皇后煤矿，山西 阳泉 045100；2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030006）

煤层中存在断层会导致煤岩层的整体性遭到破坏，岩层面的稳定性下降等问题。在掘进工作面推进到断层附近时，断层附近岩层稳定性下降，使得断层上下盘附近的煤壁在构造应力、原岩应力及重力的作用下出现顶板冒落、底板鼓起、煤壁垮落、顶板下沉现象。如采用传统的单一锚杆支护方式已经不能满足支护要求，断层附近的煤壁破坏现象仍然严重，支护效果差则常表现在锚杆锚固不可靠、锚杆对破碎煤壁不起作用上。随着工作面的继续推进，断层带附近的压力继续增大，当顶板岩层等岩石开裂严重且支护无法满足支撑要求时，就会导致掘进工作面出现顶板呈层状破碎，而且还会向工作面顶板底板的深处延伸，最终造成工作面大面积塌方。

1 工作面概述

晋能控股煤业集团恒泰皇后煤矿15108回风顺槽位于井田一采区，巷道北部为15102工作面采空区，东边与轨道运输上山、胶带运输上山、回风上山相连，南边为15104工作面采空区，西边为矿界。

15108回风顺槽设计长度为946 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.6 m×3.1 m，巷道掘进煤层为15号煤层，平均厚度为7.5 m。15号煤层伪顶为薄层泥岩，在开采过程中随采随落；老顶为K2石灰岩，属坚硬岩石，质地坚硬，裂隙不发育，不易垮落。15号煤层顶板为石灰岩，抗压强度为67.30 MPa，抗拉强度为3.74 MPa，属坚硬岩。底板为砂质泥岩，抗压强度为10.00 MPa，抗拉强度为1.06 MPa，属软岩。施工巷道从回风上山开口沿15号煤层底板掘进，截止目前巷道已掘进540 m。

根据矿地测科钻探资料发现，15108回风顺槽掘进区域整体地质构造相对简单，主要以落差在2.0m以下的小断层为主。其中位于巷道547 m处的F3正断层落差为1.7 m，平均倾角为62°，该断层对巷道掘进影响较大，巷道掘进至535 m处时顶板出现局部破碎现象，当巷道掘进至540 m处时顶板破碎严重，顶板支护困难、支护效果差，严重制约着巷道安全的高效掘进。

2 断层应力区顶板支护优化

通过现场对应力区顶板施工窥视孔观察发现，应力区顶板岩体破碎相对严重，在540 m处顶板岩体破碎深度达2.8 m。随着巷道掘进逐渐与F3断层接近，预计顶板破碎深度会进一步扩大，传统锚杆（索）支护达不到预期支护效果，因此通过研究决定对F3断层影响区（长度为15 m）支护进行优化，采用“加长锚杆+联锁组合锚索”联合支护技术。

1）联锁组合锚索主要由4根长度及直径分别为8.3 m、21.6 m的高预应力锚索，2根长度及直径分别为3.5 m、22 m的左旋无纵筋螺纹钢加长锚杆，以及一根长度为4.4 m，宽度为0.5 m，厚度为3.5 mm的“JW”型钢板组成（如下页图1）。

图1 15108回风顺槽断层应力区顶板联合支护平面示意图（mm）

2）在JW型钢板四周、中部及距两段0.3 m的位置各钻一个圆孔，圆孔的直径设计为25 mm，同时在钢板两边施工两个圆孔，圆孔的直径设计为22 mm。

3）当掘进工作面推至断层带附近时，采用MT-130型钻机在顶板距巷帮0.35 m处各施工一个加长锚杆支护钻孔，钻孔深度为0.35 m，直径为28 mm。钻孔施工完后对钻孔内依次填装锚杆及加长锚杆，并进行锚固预紧，锚固后锚杆外露长度控制在10~50 mm范围内。

4）加长锚杆锚固后将“JW”型钢板安装在锚杆外露端，并采用拱形垫片、螺母进行预紧，预紧力不得低于400 N·m，预紧后必须保证钢板与顶板接触严实。

5）待钢板与顶板全部固定后，施工人员要在钢板的中部预留孔的位置施工5个锚索钻孔，钻孔的深度为8.3 m,钻孔施工到位后依次对钻孔内填装锚固剂及恒阻锚索并进行锚固，锚固后在锚索外露端安装一块长度及宽度均为0.5 m的钢托板，并采用锁具进行预紧。

6）施工人员在完成第1组联锁组合锚索后依次安装第2组，相邻联锁组合锚索布置间距为1.0 m。为了提高组合锚索联锁保护作用，在相邻两组组合锚索之间安装两组圆钢托架，圆钢托架的长度为1.0m，直径为30 mm。

7）为了防止构造应力在顶板裂隙处产生卸压破坏作用，所有联锁组合锚索施工完毕后，需在顶板处施工卸压钻孔进行应力卸压作用，每排布置1个，钻孔深度为5.0m，直径为50mm，卸压孔布置间距为5.0m。

3 应用效果

1）15108回风顺槽应力破碎区长度为15 m，破碎区共计安装了16组组合锚索，根据统计计算每块组合锚索成本费用为0.47万元，若采用传统的支护方式，应力破碎区共需支护80根锚杆、30根锚索、20卷金属网，局部还需注浆施工，支护成本费用为2.7万元。支护优化后大大降低了破碎顶板支护成本费用。

2）通过采用钢板与组合锚索对顶板进行支护，不仅能够有效地对破碎顶板起到支撑悬吊，还能够使每个组合锚索悬板的支护面积达到6.3 m2，而且该组合锚索采用的预应力钢绞线的长度为8.3 m，这个长度已经完全能够与原岩石锚固。施工人员在安装完成后通过近两个月的时间对顶板的下层情况进行观察，巷道顶板未出现大面积破碎、冒落现象。

3）施工人员采用联锁保护装置将相邻组合锚索进行连接，起到了有效确保联锁的作用，同时通过对顶板施工卸压，避免了因顶板应力集中显现所导致的顶板岩体裂隙扩张，大大提高了顶板支护效果。

4 结语

要进一步提高巷道应力区围岩控制效果，必须根据掘进巷道地质条件、支护工艺等，对原支护存在的问题以及支护效果的影响因素进行合理分析，并根据实际生产情况进行合理优化。只有这样才能提高应力区围岩的稳定性及支护质量，从而有效防止因围岩失稳而发生的煤矿安全事故。