煤巷过断层破碎区联合支护技术应用

宋元发

（山西焦煤山煤国际长春兴煤业有限公司，山西 大同 037101）

1 概述

山西焦煤山煤国际长春兴煤业有限公司22303运输顺槽位于井田北盘区，西部为北延盘区大巷，南部为301 采空区，东部为矿井西部矿界，北部为设计北盘区，西南部为未开采区域。22303 运输顺槽布置于石炭系太原组中下部22#煤层中，22#煤层结构复杂，厚度较稳定，22#层上距最近16-2#煤层约99.15 m，下距最近25-1#煤层约12.7 m，煤层厚度为9.5 m，含3～4 层夹矸。煤层大致走向东西，倾向北，倾角较小，平均-2°。22303 运输顺槽从北盘区辅助运输巷沿22#煤层底板掘进，规格为宽×高=5.2 m×4.2 m，正巷规格为宽×高=4.5 m×3.5 m。巷道采用一掘一支掘进工艺，采用EBZ260 型掘进机施工，顶板采用锚杆、锚索、钢带以及金属网联合支护，巷道已掘进480 m。

2 巷道地质情况及问题分析

2.1 巷道地质情况

22#煤层地质构造单一，主要以中小型断层为主，断层落差为0.7～2.8 m 范围内。《长春兴煤矿22#煤层303 工作面地质报告》显示，22303 运输顺槽掘进区域共计揭露6 条正断层和2 条逆断层，其中303 运输顺槽前期掘进过程中已揭露5 条正断层，平均落差为1.2 m。根据资料显示，巷道掘进至487 m 将揭露F6 正断层，落差为2.4 m，倾角为52°。巷道掘进至475 m 处开始钻探，钻探结果显示，在巷道484 m 处位于左侧预先揭露断层，断层侵入后断层上盘煤体下压，断层对巷道掘进影响长度为52 m。

2.2 巷道掘进现状

由于F6 断层上盘煤体下移，若巷道过断层期间继续以水平角度掘进，底板遗煤量大，造成后期工作面回采时采空区内含大量浮煤，不利于采空区安全管理。因此，巷道过断层期间决定采用俯斜掘进工艺，巷道从475 m 处开始以7°俯角下山掘进，巷道掘进至495 m 处时揭露断层上盘煤体底板，然后继续近水平掘进。

但当巷道下山掘进至478 m 处时，俯斜处顶板出现失稳现象，顶板局部冒漏，顶板处形成“高冒台阶”区，如图1 所示，冒漏高度达1.6 m，随着巷道继续掘进，冒漏区范围逐渐扩大。

图1 303 运输顺槽过断层期间俯斜回采剖面示意图

2.3 问题分析

根据现场观察分析发现，巷道俯斜掘进期间出现顶板“高冒台阶”区原因主要有以下几方面：

（1）围岩失稳。22303 运输顺槽掘进的22#煤层平均倾角为2°，巷道在俯斜掘进时下山角为7°，由于俯斜掘进角度大，在掘进期间留顶煤时,煤体失稳，出现破碎现象。

（2）构造应力影响。巷道在过断层前，断层应力与原岩应力处于平衡状态，当巷道掘进揭露断层时，巷道开挖空间形成应力释放区，应力释放过程中对围岩产生挤压、剪切作用，造成围岩出现裂隙带，破坏了围岩力学稳定结构。

（3）支护不合理。原顶板主要采用锚杆（索）进行联合支护，围岩相对稳定时，杆体锚固端能形成支护组合梁（拱）结构，但是在断层区围岩破碎严重时，采用单一锚杆（索）支护时锚固效果差，支护失效率高。

3 断层区联合支护技术

3.1 注浆加固

22303 运输顺槽俯斜掘进期间失稳破碎，导致俯斜段顶板稳定性差，决定对该区域顶板提前采取注浆加固与管棚注浆联合支护[1-5]。

3.1.1 注浆孔布置

（1）注浆孔布置。注浆主要是对破碎顶板煤体进行粘接，实现二次重组。注浆孔施工在巷道迎头煤壁上，钻孔深度为5.0 m，直径为45 mm，钻孔布置仰角为45°，钻孔终端位于仰斜顶板2.0～2.5 m 处，每排布置3 个注浆孔，孔间距为1.5 m，钻孔距顶板间距为1.0 m，如图2。

（2）管棚注浆孔布置。管棚注浆目的是在仰斜段顶板稳固一排超前支护体，通过注浆方式将支护体与顶板煤体镶嵌为一体，达到超前支护的目的。管棚注浆孔布置在仰斜段设计顶板处，每排布置5个孔，孔深为3.5 m，直径为30 mm，孔间距为1.0 m。

3.1.2 注浆设备及材料

（1）注浆管棚。注浆管棚体采用长度3.5 m、直径28 mm 中空钢管，钢管一端为实心削尖结构，削尖体长度为0.5 m；管体中孔直径为10 mm，在管体外周围均匀布置三排注浆花孔，孔直径为5 mm。

（2）注浆泵。采用3ZBQ-5/18 气动高压注浆泵进行注浆施工，主要由泵体、注浆桶、混合阀、注浆枪、注浆软管、阀门等部分组成。注浆泵注浆压力为0～18 MPa，注浆排量为0～25 L/min。

（3）注浆材料。注浆材料采用固瑞特系列化学注浆加固材料，该材料属于双组分注浆加固材料，浆液固结体单轴抗压强度为35～55 MPa，黏度为45～107 MPa·s。

3.1.3 注浆施工

（1）先进行注浆加固施工。注浆工序为：安装注浆软管→安装止浆塞→连接注浆泵→开启注浆泵。注浆压力控制在3～5 MPa，每个注浆孔稳压注浆时间为10 min。

（2）再进行管棚注浆施工。先在顶板施工一排超前管棚支护钻孔，然后对钻孔内安装超前管棚支护体，最后安装注浆软管、连接注浆泵进行注浆施工。管棚注浆时注浆压力控制在1.5～3.0 MPa 范围内。

3.2 梯形棚支护

由于22303 运输顺槽为全煤巷道，根据现场观察发现，在集中应力作用下巷道两帮煤柱同样出现失稳现象，主要表现为两帮垮落、两帮收敛以及肩角煤柱破碎等。两帮煤柱一旦出现失稳后无法对顶板提供足够的支撑力，导致顶板出现垮落、破碎，所以决定在俯斜段巷道支设密集梯形钢棚。

（1）目前钢棚支护主要包括矩形钢棚、梯形钢棚、拱形钢棚等。拱形钢棚主要用于拱形巷道内；矩形钢棚在大应力围岩中钢棚很容易变形，降低支护强度；梯形钢棚可根据围岩应力大小适当调整棚腿与顶梁之间的迎山角，从而降低钢棚变形，梯形钢棚具有支护强度高、实用性强、变形小等优点。所以22303 运输顺槽俯斜段决定采用梯形钢棚支护。

（2）22303 运输顺槽采用的梯形棚主要由U29型棚腿、顶梁、底座、连接杆、抱箍等部分组成，钢棚支护顺序为：安装底座→棚腿→顶梁→拉杆→刹顶。钢棚安装间距为1.0 m，棚腿安装迎山角为75°。如图2。

图2 303 运输顺槽断层区顶板联合支护示意图（mm）

4 结论

（1）对断层区俯斜段巷道顶板采取注浆与管棚联合注浆加固，提高了断层区域围岩胶结强度和顶板煤体承载能力，实现了超前支护的目的。

（2）梯形棚支护能够对断层应力区围岩进行有效支护，解决了传统矩形钢棚支护时适用性差、易变形、支护强度低等技术难题，控制了顶板应力向两帮煤柱传递导致煤柱垮落现象。

（3）22303 运输顺槽断层俯斜段顶板采取联合支护技术后，顶板最大下沉量为0.17 m，巷道断面收敛量不足巷道总断面积的5%，达到了预期支护效果。