許向東

(山西沁和能源集團 九鑫煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

中國是一個煤礦大國，煤炭在中國能源結構中占有重要地位，對于中國經(jīng)濟發(fā)展具有重要的促進作用[1-3]，隨著中國煤炭資源的大量回采，優(yōu)勢地質條件下煤炭資源已趨于殆盡，煤炭企業(yè)不得不開采劣勢地質條件下煤炭資源[4]，特別是當遇到斷層時，巷道的支護效果對于煤礦安全開采具有非常重要的意義[5]。

對于工作面巷道過斷層支護問題，眾多學者進行了研究。趙福棟[6]采用鋪設聚氨酯纖維網(wǎng)配套JW型錨索梁以及超前支護的方法對同煤集團鐵峰煤業(yè)增子坊煤礦5306工作面F5斷層頂板以及破碎區(qū)域進行了處理，治理后工作面頂板破碎區(qū)域得到了有效控制，保證了工作面的安全回采；馬震[7]采用短錨索代替錨桿的全錨索支護方式對車集煤礦2614工作面斷層構造影響巷道進行了支護處理，數(shù)值模擬以及礦壓監(jiān)測很好的證明了全錨索支護對于斷層影響帶支護的有效性；張建超等[8]采用巷道關鍵部位密集錨索支護+反底拱全斷面錨桿支護的圍巖控制技術對上灣煤礦中六運輸大巷F2斷層進行了有效處理，巷道支護有效地控制了頂?shù)装逡平?，防止冒頂事故發(fā)生，圍巖得到了有效控制；雷喜良[9]采用“錨網(wǎng)+錨索+初噴”的讓壓支護方式對陳四樓煤礦F18斷層進行了有效支護，避免了巷道的沖洗擴修，有效保證了巷道的正常使用，保證了工作面的安全回采。

以上學者通過新的技術支護方式對工作面過斷層頂板支護進行了研究，有效地保護了工作面的安全回采?，F(xiàn)以山西九鑫煤礦為試驗礦井，對其工作面運輸和回采巷道過斷層頂板支護進行研究，并對支護效果進行了監(jiān)測分析。

1 工程概況

山西沁和能源集團九鑫煤業(yè)有限公司生產(chǎn)能力0.6 Mt/a，主采2號～15號煤層，205工作面為一采區(qū)工作面，主采2號煤層，煤層厚度4.41 m，為近水平煤層。根據(jù)地質探測結果可知，工作面運輸和回風巷道掘進過程中將遇到DF5正斷層，斷層上下盤距離23～29 m，斷層面傾角65°。根據(jù)地質鉆探情況發(fā)現(xiàn)，斷層破碎帶主要有較破碎的砂巖、砂質泥巖、泥巖、煤線，斷層破碎帶不含水，但由于2#煤層頂板有砂巖含水層，巷道開挖后頂板有淋水情況，淋水量3～5 m3/h。

2 運輸和回風巷道支護設計

運輸和回風巷道沿頂板掘進，設計巷道斷面為：毛斷面寬4.6 m，高3.45 m，斷面面積15.87 m2；凈寬4.5 m，凈高3.4 m，斷面面積15.3 m2。巷道支護方式采用錨桿、錨索、鋼筋梯、菱形網(wǎng)進行聯(lián)合支護，如圖1所示。

圖1 運輸與回風巷道支護設計

2.1 頂板錨桿支護

頂板采用φ20 mm×2 200 mm左旋無縱高強度螺紋鋼錨桿支護，間排距為800 mm×1 000 mm，(頂板破碎時縮小間排距)，設置錨桿與垂直方向上的角度為10°，將錨桿支護的孔深設置為2 150 mm。在進行錨桿支護時，采用錨固劑進行加固，錨固劑采用兩種型號進行加固，加固的深度設置為950 mm；并設置錨桿的最小錨固力大于120 kN，在進行螺母操作時，設置其擰緊力矩大于200 N·m。

2.2 圍巖錨桿支護

煤礦巷道頂板采用φ20 mm×2 200 mm左旋無縱高強度螺紋鋼錨桿支護，間排距為800 mm×1 000 mm，(頂板破碎時縮小間排距)，設置錨桿與垂直方向上的角度為10°，將錨桿支護的孔深設置為2 150 mm。在進行錨桿支護時，采用錨固劑進行加固，錨固劑采用兩種型號進行加固，加固深度設置為950 mm；并設置錨桿的最小錨固力大于120 kN，在進行螺母操作時，設置其擰緊力矩大于200 N·m。

2.3 頂板錨索支護

錨索采用φ17.8 mm×6 300 mm 7股高強度低松馳預應力鋼絞線制作，間距、排距為2 000 mm×2 000 mm，將錨索支護的孔深設置為6 000 mm。在進行錨桿支護時，采用錨固劑進行加固，錨固劑采用兩種型號進行加固，加固深度設置為1 550 mm；并設置錨索的最小錨固力大于250 kN，在進行螺母操作時，設置其擰緊力矩大于180 N·m。

2.4 鋼筋梯子梁

根據(jù)巷道的實際情況，選用鋼筋梯子梁進行加固，鋼筋梯子梁采用直徑12 mm的鋼筋進行焊接，將鋼筋梯子梁的長度設置為4 100 mm，為了提高其支撐強度，鋼筋梯子梁的寬度設置為80 mm，對于顯微鉆孔設置其間距為800 mm。對于圍巖兩幫的鋼筋梯子梁，設置其上部寬度為1 800 mm，設置其下部寬度為1 200 mm，其間距為80 mm，限位鉆孔的距離設置為800 mm。

2.5 金屬網(wǎng)

對于錨網(wǎng)采用菱形網(wǎng)進行加固補強。菱形錨網(wǎng)采用直徑為10 mm的鐵絲進行焊接而成，設置金屬錨網(wǎng)的長度為8 500 mm，設置金屬錨網(wǎng)的寬度為1 150 mm。在巷道上覆頂板以及巷道兩幫圍巖進行鋪設金屬菱形錨網(wǎng)。金屬菱形錨網(wǎng)之間采用連接的方式進行連接，連接的長度設置為150 mm，其誤差不能大于10 mm，采用16#鐵絲進行連接，在連接的過程中符合一扣三扭的錨網(wǎng)連接規(guī)定。

3 運輸和回風巷道過斷層治理

3.1 施工泄水孔導水

如果后期鉆探斷層含水，且含水量較大，則為了方便巷道掘進和減小水對泥巖圍巖的軟化，需要在工作面加固時布置泄水孔。巷道迎頭位置布置頂板加固施工鉆孔，設置其角度為上斜角30°，鉆孔的方向與巷道斷層走向呈90°。同時，鉆孔的長度必須穿過斷層破碎區(qū)的長度，施工鉆孔其直徑為75 mm并且安裝法蘭盤。設置鉆孔的總長度為6 m。在巷道覆巖頂板并且靠近巷道中部施工垂直孔，打鉆孔深度為10 m。鉆取一個直徑為75 mm的鉆孔，在布置完泄水孔口，觀測涌水量變化特征，若泄水孔不足以滿足泄水的要求，要重新增加泄水孔。

3.2 冒落區(qū)處理

如果在巷道掘進過程中，已經(jīng)發(fā)生了頂板破碎矸石冒落，則需要對冒落區(qū)頂板進行處理。在進行冒落區(qū)處理時，首先應該對冒落區(qū)中的空巷進行充填處理，保證巷道空頂區(qū)能夠有效控制，不先對破碎帶冒空區(qū)進行充填，控制當前冒頂處，以防進一步發(fā)展，為后續(xù)圍巖及超前預注提供保障。在距離空頂區(qū)的上部以及左右兩個位置施工鉆孔，設置其傾角為60°，施工鉆孔孔徑為28 mm，對于空頂區(qū)其鉆孔深度必須大于空頂區(qū)的深度，保證空頂區(qū)的穩(wěn)定，在冒落空頂區(qū)位置放置風筒布以及其他柔軟材料，防止注漿過程中漿液通過冒頂處流出來。同時，通過鉆孔進行注漿作業(yè)，并且安裝注漿管路，對冒落空頂區(qū)進行第一次封堵。注漿加固結束的標準為漿液從冒落空頂區(qū)內流出來，待初始注漿結束后，再對其他充填孔進行充填作業(yè)，在進行充填的過程中先對冒落區(qū)的兩邊進行充填，待兩邊充填完畢后在對中間進行充填，選用發(fā)泡類注漿材料，充填區(qū)域應該覆蓋整個冒落空頂區(qū)。

3.3 化學漿加固

待冒空區(qū)充填完畢后，采用化學漿液對巷道冒落空頂區(qū)四周易漏漿區(qū)域進行加固，漿液在注漿過程中能夠很好地沖入到破碎區(qū)巖石的裂縫中，能夠將原來不完整、不連續(xù)的煤巖體重新形成一個整體。增加煤巖體力學強度。提高圍巖穩(wěn)定性。保證在掘進過程中不能發(fā)生冒頂事故。待易漏漿區(qū)域完全封堵后，采用加固材料對巷道超前距離區(qū)域內進行注漿加固，保證圍巖的穩(wěn)定性。在注漿過程中，每1.6 m進行一次注漿加固作業(yè)，注漿過程中保證漿液的滲透半徑為2 m以上。同時，在注漿過程中對巷道斷層的破碎區(qū)進行注漿加固作業(yè)，保證掘進工作面超前一定距離下煤巖體是一個完整的整體。采用錨索、錨網(wǎng)、錨桿的注漿加固方式。間排距為0.8 m。錨索的排距為2 m，每排布置3個錨索加固孔，采用21.8 mm的錨索直徑，9 000 mm的錨索長度，在進行注漿加固過程中，設置注漿壓力為5 MPa。

4 運輸和回風巷道掘進方式及支護參數(shù)

4.1 炮掘施工巖巷

運輸和回風巷道施工至巖巷處，綜掘機停放位置不得妨礙鋪設軌道，然后以上行15°坡采用炮掘向前掘進，開始施工時，采用放小炮掘進，防止破壞皮帶、開關、電纜、管路、綜掘機等設施設備，煤巖交接處5 m，錨索進行加強支護，采用“三二”布置(圖2)，間排距為1.5 m×1.5 m×1 m，最大空頂距不得大于1.2 m，最小空頂距不得小于0.2 m，循環(huán)進尺為1 m。巷道正常施工時，錨索采用“二二”布置，間排距2 m×2 m，最大空頂距不得大于2.2 m，最小控頂距不得小于0.2 m，循環(huán)進尺為2 m，永久支護采用錨桿、錨索、菱形網(wǎng)、鋼帶進行聯(lián)合支護，頂板破碎段滯后工作面掌頭20 m在巷道中部支設一排φ16 cm木點柱，木點柱間距4 m作為信號柱使用，施工過程遇構造、頂板破碎時，改變205運輸順槽永久支護錨桿排距變?yōu)?00 mm、錨索采用“二一二”布置(圖3)，排距800 mm，錨索長度8 300 mm。

圖2 運輸和回風巷道掘進煤巖過渡區(qū)頂板支護

圖3 運輸和回風巷道過斷層破碎區(qū)頂板支護

如頂板破碎嚴重，采用φ21.8×8 300 mm注漿錨索進行支護，注漿錨索施工完成，采用礦用12#金屬工字鋼棚“一梁三柱”、拉桿、道木、木楔加強支護，每組鋼棚不得少于三架，排距為1 m，棚腿采用φ20 mm圓鋼作聯(lián)桿上下連鎖，作業(yè)隊需將各種材料準備充足，包括φ20×2 600、φ20×2 200 mm螺紋鋼錨桿，φ17.8×6 300、φ17.8×8 300 mm錨索及φ21.8×8 300 mm注漿錨索，在施工鉆孔時，施工人員要對鉆孔進行觀察，施工至6.3 m時頂部保證錨索錨固在硬巖，無法達到標準時采用8.3 mm錨索，如錨索不能錨固，采用注漿錨索。

4.2 技術標準

巷道頂板錨桿采用直徑為20 mm，長度為2 200 mm的高強度螺紋鋼錨桿，靠幫的頂板角錨桿與鉛垂線煤壁的豎直線為10°。在進行錨桿鉆孔施工中，設置錨桿鉆孔孔深為2 150 mm。采用錨固劑進行加固，錨固劑采用兩種型號的進行加固，設置加固的長度為950 mm；并設置錨索的最小錨固力大于120 kN，在進行螺母操作時，設置其擰緊力矩大于200 N·m。對于巷道圍巖兩幫錨桿采用直徑20 mm，長度為2 000 mm的高強度螺紋鋼錨桿，對于兩幫錨桿采用水平布置鉆孔，鉆孔孔深為1 950 mm，采用錨固劑進行加固，錨固劑采用兩種型號的進行加固，設置加固的長度為950 mm；并設置錨索的最小錨固力大于120 kN，在進行螺母操作時，設置其擰緊力矩大于200 N·m(巖巷兩幫上部支設滯后不大于2 m)。下部支設滯后不大于6 m支設。煤巷兩幫上部支設滯后不大于1 m。下部支設滯后不大于4 m支設，在頂、幫擰螺母前必須按規(guī)定上減磨墊圈，錨索采用φ17.8 mm×6 300 mm 7股高強度低松馳預應力鋼絞線制作，“二二”布置，排距2 000 mm，錨索長度6 300 mm，巷道錨索孔深設置為6 000 mm。采用錨固劑進行加固，錨固劑采用兩種型號的進行加固，錨固加固長度設置為1 550 mm，并設置錨索的最小錨固力大于250 kN，張拉預緊力不得小于180 kN，錨索終孔錨固段巖層性質發(fā)生變化時，若在掘進過程中出現(xiàn)泥巖、斷層破碎帶、破碎區(qū)裂隙等不能達到錨固力要求時，必須采取注漿加固或者架棚輔助加強支護。

5 巷道圍巖變形監(jiān)測

為測定圍巖表面水平與垂直方向收斂量或收斂速度，判定圍巖穩(wěn)定性，應測定圍巖表面絕對位移量，包括頂板下沉、底板起鼓和兩幫移近量。

使用噴漆在每個測站的兩幫和頂?shù)装甯鬟x擇一組水平和垂直的點進行測量，原則上選擇在兩幫和頂?shù)装逯胁?，每組只需要布置一個兩幫和一個頂?shù)装鍦y點，得出其變化特征如圖4所示。

圖4 巷道變形量

由圖4可知，當掘進工作面以及斷層破碎區(qū)經(jīng)過處理后，巷道頂板下沉量60 mm、底鼓量為50 mm、兩幫移近量為81 mm，巷道變形量較少，巷道得到了有效控制。

6 結論

采用分析法對工作面運輸與回風巷道過斷層進行了分析。提出了冒落區(qū)頂板注漿治理、破碎圍巖超前預注漿、錨桿+錨索+網(wǎng)的聯(lián)合支護方式并對支護后的巷道圍巖變形進行了監(jiān)測。監(jiān)測結果表明，巷道頂板下沉量60 mm、底鼓量為50 mm、兩幫移近量為81 mm，巷道變形量較少，巷道得到了有效控制。