煤巷斷層破碎帶頂板支護(hù)技術(shù)應(yīng)用實踐

郝瑩

（山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

麻家梁礦位于山西省朔州市朔南礦區(qū)南部，井田面積104.2877 km2，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為12 Mt/a，設(shè)計服務(wù)年限82 a。礦井采用立井雙水平開拓，初期布置主立井、副立井、回風(fēng)立井三個井筒，一個開采水平，布置兩個生產(chǎn)采區(qū)，井田內(nèi)主采石炭系的4#、9#煤層，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，成破碎狀結(jié)構(gòu)，煤層內(nèi)含多層夾矸，以炭質(zhì)泥巖為主，厚度在0.3～1.4 m之間。

14402運巷位于井田四采區(qū)，南接+665西輔運大巷，東、北、西均未開采，見圖1。工作面北端西部距F34斷層450 m，該斷層落差70 m，工作面所在盤為斷層下盤。巷道設(shè)計長度為2580 m，為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=5.0 m×3.6 m，施工巷道沿4#煤層頂板平行掘進(jìn)。

圖1 麻家梁礦四采區(qū)14402運巷布置

14402運巷無偽頂，直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為5.6 m，基本頂主要以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為7.2 m，直接頂與基本頂之間夾雜一層厚度為0.4 m煤層（不可采）。14402巷由山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司礦建工程隊采用EBZ-200型半煤巖掘進(jìn)機掘進(jìn)，截至目前巷道已掘進(jìn)155 m。根據(jù)麻家梁礦地測科提供資料顯示，14402巷在掘進(jìn)過程中共揭露兩條正斷層（F1、F2），F(xiàn)1斷層位于掘進(jìn)巷道87 m處，斷層落差為0.6 m，傾角為52°，對掘進(jìn)影響不大，采用掘進(jìn)機可直接推過，F(xiàn)2斷層位于掘進(jìn)巷道164 m處，斷層落差為1.4 m，傾角為45°，對巷道掘進(jìn)影響大。

2 14402運巷初步支護(hù)設(shè)計分析

2.1 14402運巷頂板初步支護(hù)設(shè)計

14402運巷初步支護(hù)設(shè)計中，頂板采用錨桿、錨索、鋼帶、金屬網(wǎng)等聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板錨桿采用長度為2.4 m，直徑為22 mm的螺紋鋼錨桿，頂板每排施工5根，錨桿間排距為1.1 m×1.0 m。

（2）頂板鋼帶采用長度為4.8 m，寬度為0.25 m“W”型鋼帶，每根鋼帶采用5根錨桿將其與頂板進(jìn)行錨固，鋼帶間距為1.0 m。

（3）頂板錨索采用長度為6.0m，直徑為17.8mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排施工3根錨索，錨索間排距為2.0 m×3.0 m，錨索外露端采用規(guī)格為0.3 m×0.3 m鋼方墊及鎖具進(jìn)行預(yù)緊。

2.2 初步支護(hù)設(shè)計在過F2斷層中存在問題

（1）由于F2斷層落差為1.4 m，巷道掘進(jìn)至距斷層帶10 m處時頂板壓力加大，通過對F1斷層帶附近頂板觀測發(fā)現(xiàn)，礦壓主要集中在巷道頂板中部，頂板中部出現(xiàn)下沉、破碎現(xiàn)象，破碎區(qū)域在頂板往上2.2 m范圍內(nèi)且范圍不斷擴(kuò)大，而初步支護(hù)設(shè)計中頂板錨桿長度為2.4 m，錨桿錨固端位于破碎巖體內(nèi)，錨桿支護(hù)無法形成組合梁，特別是對巷道頂板中部巖層支護(hù)效果差。

（2）隨著巷道不斷延伸，當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層帶處時巷道頂板出現(xiàn)大面積破碎現(xiàn)象，巖石層膠結(jié)穩(wěn)定性大大降低，若僅采用鋼帶支護(hù)時，鋼帶支護(hù)強度低，不能長時間對破碎頂板進(jìn)行有效維護(hù)，隨著時間推移鋼帶會出現(xiàn)嚴(yán)重變形現(xiàn)象。

（3）巷道掘進(jìn)至斷層帶處時直接頂與基本頂出現(xiàn)離層現(xiàn)象，而初步支護(hù)設(shè)計中錨索長度為6.0 m，錨索錨固端位于直接頂與基本頂之間，一旦頂板出現(xiàn)離層，錨索錨固作用完全失效，同時錨索直徑為17.8 m，錨索屈服強度較低，在過斷層期間會出現(xiàn)錨索拉斷現(xiàn)象。

3 斷層破碎帶頂板支護(hù)技術(shù)研究

山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司礦建工程隊通過技術(shù)分析，在14402運巷過F2斷層期間對原支護(hù)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，并決定采用 “錨桿桁架+π型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)對破碎頂板進(jìn)行維護(hù)。

3.1 支護(hù)設(shè)計的優(yōu)化

（1）掘進(jìn)巷道過斷層破碎帶期間，頂板單錨索采用長度為8.3 m，直徑為21.6 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，同時為減少錨索錨固時間、提高錨固質(zhì)量，每根錨索采用3支錨固劑，一支MSKC23/35超快型，兩支MSKC23/80加長快速型，錨索排距縮短為2.0 m。

（2）為了提高錨桿錨固質(zhì)量，將原支護(hù)設(shè)計中錨桿更換為加長左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為3.2 m，直徑為22 mm，每根錨桿采用2支錨固劑，一支MSKC23/35超快型，一支MSKC23/80快速型。

3.2 錨桿桁架支護(hù)

為了減小掘進(jìn)巷道頂板中部應(yīng)力集中現(xiàn)象，在過F2斷層帶時決定采用錨桿桁架支護(hù)，具體施工方法如下：

（1）錨桿桁架支護(hù)主要由兩根傾角錨桿、兩根拉桿、一個拉緊器和鋼墊片組成。

（2）當(dāng)施工巷道進(jìn)入F2斷層破碎區(qū)域時，錨桿錨索支護(hù)后在兩排鋼帶中間距巷幫1.0 m處各施工一根傾角錨桿，錨桿長度為2.0 m，錨桿與巷道頂板夾角為60°。

（3）傾角錨桿施工完后在兩根傾角錨桿外露端各安裝一根拉桿并通過拉緊器進(jìn)行連接。

（4）拉緊器拉力必須符合設(shè)計要求，確保兩根傾角錨桿產(chǎn)生的傾向合力能夠抵消頂板中部集中應(yīng)力，同時確保拉桿能夠?qū)敯迤鸬街巫饔?，在相鄰兩架錨桿桁架支護(hù)之間填塞金屬墊片，見圖2。

圖2 14402運巷頂板錨桿桁架支護(hù)斷面

3.3 π型工字鋼棚支護(hù)

為了進(jìn)一步提高破碎頂板穩(wěn)定性，礦建工程隊決定在14402運巷破碎頂板施工鋼棚并鋪設(shè)縱向工字鋼梁及水泥背板。

（1）由于14402運巷寬度為5.0 m，傳統(tǒng)的矩形鋼棚頂梁承載能力相對較差，通過技術(shù)研究決定采用π型鋼棚進(jìn)行支護(hù)，π型工字鋼棚主要由四節(jié)棚腿、一節(jié)π型頂梁、卡纜等組成。棚腿下端焊接一塊規(guī)格為長×寬×厚=0.3 m×0.3 m×0.05 m鋼板。

（2）當(dāng)巷道進(jìn)入斷層破碎區(qū)域時，在巷道兩幫底板處進(jìn)行人工起底施工棚腿基礎(chǔ)坑，起底規(guī)格為寬×深=0.3 m×0.3 m，起底后將棚腿埋入基礎(chǔ)坑內(nèi)并澆筑。

（3）兩根棚腿安裝固定后，在棚腿上方安裝π型頂梁，頂梁與棚腿之間采用卡纜進(jìn)行固定，頂梁安裝后確保頂梁與頂板之間留有高度為0.15 m間隙,鋼棚間距為1.5 m。

（4）相鄰三架鋼棚架設(shè)完后，在鋼棚頂梁上方鋪設(shè)長度為3.5 m橫梁，橫梁垂直π型頂梁布置，每三架鋼棚上方鋪設(shè)5根橫梁，間距為1.0 m，橫梁與π型頂梁采用卡纜進(jìn)行固定，見圖3。

（5）橫梁鋪設(shè)完后在其上方鋪設(shè)水泥背板，背板規(guī)格為長×寬=4.8 m×0.5 m，背板與橫梁垂直布置，水泥背板鋪設(shè)后逐漸抬高π型頂梁，確保水泥背板與破碎頂板接觸嚴(yán)實。

（6）所有π型工字鋼棚架設(shè)完后，為保證鋼棚穩(wěn)定牢固，在相鄰兩架鋼棚之間采用兩組拉桿進(jìn)行連接。

圖3 四采區(qū)14402運巷π型鋼棚支護(hù)斷面、平面

4 結(jié)語

山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司礦建工程隊在施工14402運巷過F2斷層期間，通過技術(shù)研究對斷層破碎帶頂板永久支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，同時采取了“錨桿桁架+π型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，實踐證明采取聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，降低了破碎頂板中部應(yīng)力集中現(xiàn)象，阻止了頂板破碎范圍不斷擴(kuò)大，提高了巷道頂板穩(wěn)定，保證了巷道安全施工，取得了顯著成效。同時為類似地質(zhì)條件巷道掘進(jìn)支護(hù)提供了借鑒。