掘进巷道过断层复合支护技术应用

刘 亮

（大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿，山西 大同 037000）

1 工程概况

晋华宫煤矿2103 运输巷位于井下301 采区南部，设计巷道总长632 m，为矩形断面，规格为4.5 m×3.5 m。巷道沿12-2#煤层底板掘进。12-2#煤层结构简单，赋存稳定，直接顶岩性主要为细砂岩与砂质页岩，均厚5.9 m，基本顶岩性主要为粗砂岩，均厚9.7 m，无伪顶。

2103 运输巷已施工155 m，地质资料中显示，前方5 m 处将揭露F3逆断层，断层落差1.4 m，倾角45°，由于断层规模较小。因此，采取直接掘进过断层。受断层影响，巷道在掘进至150 m 处时，巷道顶板已出现离层、冒落现象，掘进至155 m时，顶板破碎更为严重，巷道原支护效果遭到破坏，顶板维护难度大，影响巷道安全高效施工。

2 顶板原支护方案分析

2.1 原支护方案

2103 运输巷在施工期间采用锚杆+ 锚索+ 钢带的支护方案。锚杆规格为Φ20 mm×2 000 mm，锚索规格为Φ17.8 mm×4 500 mm，钢带宽25 mm，长4.2 m；顶板采用每排5 根锚杆与3 根锚索进行支护，锚杆间排距为1 m，锚索间排距为1.8 m×3.0 m。锚杆端头锚固长度为0.3 m，锚杆外露10～30 mm，锚索锚固长度为1.2 m，外露150～250 mm。锚杆打设完成后，每排锚杆布置一根钢带将其预紧。

2.2 问题分析

原顶板支护形式在过断层期间，支护效果无法满足巷道安全高效掘进，经分析，有两点原因。

一是受断层构造应力影响，在F3断层影响范围内，巷道顶板煤岩层结构遭到破坏，应力产生卸压空间，上覆岩层压力以及巷道掘进时的应力集中显现，巷道掘进期间断层两侧的煤岩体产生垂直剪切应力和水平张拉应力［1-4］，导致顶板稳定性遭到破坏，出现破碎、离层及冒顶现象。

二是支护强度不足，顶板打设锚杆长度2 m，根据地质资料显示，煤厚为6.5 m，顶板以上煤厚还余2.0 m，锚杆外露10～30 mm。因此，锚杆无法有效打设到直接顶上，支护效果极差，容易出现离层现象。并且顶板受应力影响出现变形时，仅钢带强度无法抵抗，从而断裂失效。

3 过断层顶板综合支护技术方案

为保证2103 运输巷在过断层掘进期间顶板的稳定性，提高施工效率，提出采用撞楔超前支护+ 丝杠空顶支护+ 注浆锚杆支护的联合支护技术方案。

3.1 撞楔超前支护方案

该支护方案主采材料为钢钎、夹板、锚固剂及固定锚杆。钢钎规格为Φ30 mm×3 000 mm；夹板长度0.8 m，宽度0.3 m，材质为高强度钢板，两端各加工一个Φ30 mm的圆孔；固定锚杆规格为Φ20 mm×1 200 mm。

2103 运输巷在掘进至F3断层附近时，对巷道设计顶板位置垂直于煤壁施工一排钻孔，孔径32 mm，孔间距300 m，将钢钎安装至钻孔内，外露0.2 m，使用锚固剂将钢钎固定牢固，然后每3 根钢钎使用夹板加紧，并在夹板两端圆孔打设固定锚杆将钢钎和夹板固定结实，在掘进期间循环此过程，直至过断层结束［5-6］。

3.2 丝杠柱空顶支护

掘进过程中，巷道迎头处会不可避免的存在空顶现象，由于断层构造影响，空顶顶板极易出现冒顶，存在安全隐患，不利于顶板管理。因此，提出采用丝杠柱对空顶部分进行临时支护，防止顶板冒落。空顶临时支护使用材料主要有钢梁、吊环、丝杠柱。钢梁采用10 号槽钢加工制成，分为横梁和纵梁，长度分别为4.2 m和4.0 m。横梁上加工焊制丝扣孔3 个，用以安装丝杠柱。

巷道过在过断层期间，迎头出现1.5 m 以上空顶距时，需要对巷道最前方两排锚杆的外露部分安装吊环，每排安装3 个，安装两排；吊环安装牢固后将横梁穿过3 个吊环，共安装2 根横梁，然后在横梁上以垂直的方式安装纵梁，间距为2.0 m，共安装3 根纵梁，完成后升高丝杠柱，将纵梁顶起，紧贴顶板，对空顶部分进行支护。丝杠柱空顶支护结构见图1。

图1 丝杠柱空顶支护结构

3.3 注浆锚杆支护方案

注浆锚杆是通过注浆的方式将破碎围岩的空隙进行充填，使之凝结成一个整体，从而提高围岩的整体性，加强锚杆的锚固效果，同时降低施工顶板造成的扰动破坏。并且注浆锚杆支护能够实现锚杆全长锚固作用［7］。该支护对使用的材料为注浆锚杆、JW型钢带、注浆软管、注浆泵以及注浆材料。其中注浆锚杆长3.5 m，内部为中空，中空直径为14 mm，注浆锚杆表面呈对称分布两排圆孔，直径为10 mm，用于浆液流出；JW型钢带长0.5 m，宽0.28 m；注浆软管直径8 mm，使用聚氨酯做注浆材料。

巷道在过断层时，对巷道顶板施工支护钻孔，钻孔垂直顶板布置，孔深3.5 m，孔径30 mm，孔间排距为1.2 m，每排布置4 个支护钻孔。将注浆锚杆安装进钻孔内，注浆软管一段连接注浆锚杆，另一段连接注浆泵，连接完成后对注浆锚杆外露部分进行封孔，封孔材料使用膨胀水泥，注浆压力为1.0 MPa，在注浆过程中保持压力稳定，直至煤体出现渗浆后停止注浆［8］。注浆锚杆支护方案结构见图2。

图2 注浆锚杆支护剖面

4 实施效果

截至2019年6月27日，2103 运输巷已完全掘过断层，通过对巷道采用复合支护技术后，为了进一步验证复合支护技术的实际效果，在巷道过断层期间在顶板安装了离层监测仪，监测周期30 d。巷道在采用复合支护技术后，0～6 d期间顶板出现变形，巷道顶板最大下沉量为118 mm，6～16 d期间巷道顶板垂直应力逐渐平稳，巷道顶板下沉量逐渐减少，16 d之后趋于稳定，巷道顶板不再下沉。控制住了顶板离层冒落。

5 结语

晋华宫煤矿2103 运输巷于2019年6月完成过断层掘进，使用原支护方案时，巷道在掘进过程中顶板管理难度大，安全性差，施工效率低，进度仅为1.7 m/d。在更改支护方案，采用综合支护技术后，顶板下沉量大幅降低，不足120 mm，顶板冒落、破碎现象得到有效控制，施工效率得到了提高，进度提高至4.5 m/d，在巷道过断层期间起到显著的效果，具有推广应用价值。