賀紅宙

（山西宏宇誠鑄建設(shè)工程有限公司，山西 朔州 038300）

0 引 言

井下回采巷道掘進(jìn)、煤炭回采等難以避免需要揭露斷層破碎帶，斷層破碎帶內(nèi)不僅巖層破碎而且存在構(gòu)造應(yīng)力集中，巷道在此位置掘進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)離層、甚至頂板冒落問題，給井下煤炭正常開采工作帶來制約[1-2]?，F(xiàn)階段破碎帶發(fā)育高度通過鉆探、物探方式確定，存在探測偏差大、精度不高等問題，從而給巷道掘進(jìn)至冒落帶圍巖控制帶來一定影響?，F(xiàn)階段眾多研究學(xué)者對巷道過破碎區(qū)圍巖變形破壞機(jī)理展開研究，并總結(jié)得到巷道掘進(jìn)過破碎帶過程中圍巖位移[3-4]、應(yīng)力[5]以及支護(hù)體系變形規(guī)律[6]，并提出采用超前大管棚、超前錨桿以及分布耦合支護(hù)等圍巖控制技術(shù)方案[7-8]，在現(xiàn)場實(shí)踐中取得較好應(yīng)用成果。由于構(gòu)造產(chǎn)生的圍巖破碎嚴(yán)重區(qū)域，如果巷道掘進(jìn)過斷層破碎帶時(shí)不進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，極易導(dǎo)致巷道局部變形嚴(yán)重甚至出現(xiàn)冒落等問題，給巷道掘進(jìn)以及后續(xù)煤炭開采等帶來較大影響。馬道頭礦北二盤區(qū)3 號N2206 皮帶順槽掘進(jìn)過DF112 斷層期間，通過制定合理的圍巖支護(hù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了巷道安全掘進(jìn)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

馬道頭礦北二盤區(qū)3 號層N2206 皮帶順槽及系統(tǒng)巷設(shè)計(jì)全長2 233.137 m，巷道寬5.4 m×高3.6 m，采用EBZ260 綜掘機(jī)沿3 號煤層底板掘進(jìn)。煤層頂板為砂巖、炭質(zhì)泥巖互層，巷道頂板巖層自身強(qiáng)度較低，遇空氣容易風(fēng)化、遇水后強(qiáng)度進(jìn)一步弱化。N2206 皮帶順槽主要用以3 號N8206 工作面煤炭運(yùn)輸、進(jìn)風(fēng)等，預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)至里程117、416、1 010 m 將依次揭露斷層DF112（H= 0-25 m）、DF120（H= 0-8 m），斷層影響范圍內(nèi)煤巖層比較破碎。另外，工作面內(nèi)部存在DF128（H=0-3 m），中部有DF124（H=0-19 m）貫穿工作面，但經(jīng)過比較DF124 斷層兩邊煤層底板標(biāo)高，分析該斷層落差較小，對采面生產(chǎn)影響交低，具體N2206 皮帶順槽揭露斷層情況見表1。

表1 斷層情況表

DF112 斷層破碎帶寬寬度約為2.5 m，破碎帶內(nèi)充填巖石以砂巖、卵石、炭質(zhì)泥巖等為主，巖層粘結(jié)力較差、巖體破碎，巷道掘進(jìn)至此位置時(shí)極其容易出現(xiàn)頂板冒落。DF112 斷層對N2206 皮帶順槽掘進(jìn)有較大影響，具體順槽與斷層交匯情況見圖1 所示。

圖1 順槽與斷層交匯示意圖

1.2 臨近順槽施工情況

N5208 回風(fēng)順槽與N2206 皮帶順槽平行，兩巷間相距30 m，根據(jù)施工安排，N5208 回風(fēng)順槽超前N2206 皮帶順槽約6 個(gè)月揭露DF112 斷層，在巷道過斷層期間由于對斷層產(chǎn)狀、破碎帶巖層參數(shù)等掌握不清楚，巷道呈出現(xiàn)一定程度冒落問題，冒頂高度2.6 m、寬度4.5 m、長5.2 m，后通過#字型木垛、錨網(wǎng)索、11 號工字鋼等對頂板冒落處進(jìn)行處理，見圖2。

圖2 頂板冒落處處理示意圖

巷道掘進(jìn)至斷層破碎帶時(shí)頂板冒落或者圍巖失穩(wěn)等各類安全事故發(fā)生的主要原因是斷層破碎帶內(nèi)巖體松散、不穩(wěn)定以及現(xiàn)有的圍巖支護(hù)措施難以有效控制巷道圍巖穩(wěn)定等因素導(dǎo)致。通過上述分析得出，現(xiàn)階段巷道采用的支護(hù)措施無法滿足巷道掘進(jìn)過斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性控制需要，因此需要針對斷層破碎帶圍巖具體特點(diǎn)針對性制定破碎帶圍巖控制措施。

2 巷道過破碎帶圍巖支護(hù)技術(shù)

DF112 斷層上下盤3 號煤層頂板直接頂均整體性以及膠結(jié)性較差的炭質(zhì)泥巖、粉砂以及粗砂巖，巖層容易垮落。斷層破碎帶長度在2.5 m，破碎帶內(nèi)松散的卵石、泥巖以及砂巖充填，但是破碎帶內(nèi)不導(dǎo)水，巷道掘進(jìn)過斷層破碎帶期間不需要采取針對性的防治水措施。

N2206 皮帶順槽掘進(jìn)至DF112 斷層影響區(qū)時(shí)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)N2206 皮帶順槽工程地質(zhì)條件并采用工程類比法，提出采用超前鋼管支護(hù)技術(shù)對斷層破碎帶巖體進(jìn)行支護(hù)。通過采用超前鋼管可提高斷層破碎帶內(nèi)巖體整體穩(wěn)定性以及承載能力，不僅可為巷道掘進(jìn)帶來較好條件而且可降低頂板冒落危險(xiǎn)性以及下沉量。設(shè)計(jì)支護(hù)方案見圖3。

圖3 N2206 皮帶順槽過DF112 斷層破碎帶支護(hù)圖

斷層破碎帶支護(hù)使用的超前鋼管由φ40 mm鋼管制作，長度為2 000 mm，布置在掘進(jìn)迎頭頂板上，鋼管仰角均為30°，間距200 mm。巷道掘進(jìn)過斷層破碎帶時(shí)循環(huán)進(jìn)尺控制在800 mm 以內(nèi)，最大、最小空頂距分別為1 000、200 mm。

在N2206 皮帶順槽使用臨時(shí)支護(hù)完成掘進(jìn)后，立刻構(gòu)建以錨網(wǎng)索為核心的永久支護(hù)體系。巷道頂板布置采用2 根規(guī)格φ17.8 mm×1 1800 mm 錨索、4 根規(guī)格φ17.8 mm×6 300 mm 錨索進(jìn)行全錨索支護(hù)，單根錨索提供的預(yù)緊力均在130 kN 以上，錨固端錨固力均在200 kN 以上；巷幫按照1 100 mm×1 100 mm 間排距布置高強(qiáng)螺紋鋼錨桿（規(guī)格φ18 mm×2 200 mm）支護(hù)錨桿扭矩均在120 N·m 以上；頂板錨索采用W 鋼帶連接，鋼帶規(guī)格為220 mm×4 mm×4 300 mm。全斷面鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)。巷道掘進(jìn)完成后立即進(jìn)初噴，封閉裸露巖層，減低圍巖風(fēng)量程度以及涌水量；錨網(wǎng)索支護(hù)完成后，通過二次噴漿將錨網(wǎng)、錨桿以及鋼支架連接為一個(gè)相互作用支護(hù)結(jié)構(gòu)體，提高巷道表層巖體支護(hù)強(qiáng)度。巷道頂板及巷幫表層噴射強(qiáng)度C20 混凝土、厚度100 mm。

3 破碎帶圍巖支護(hù)效果

N2206 皮帶順槽在掘進(jìn)過DF112 斷層破碎帶期間，將巷道循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺控制在800 mm 以內(nèi)，從而降低掘進(jìn)對圍巖擾動(dòng)。采用超前鋼管支護(hù)、錨網(wǎng)索以及破碎段表層噴漿等聯(lián)合支護(hù)方式后，巷道掘進(jìn)期間未出現(xiàn)頂板冒落、迎頭破碎巖體失穩(wěn)等情況。為分析支護(hù)方案對斷層破碎帶圍巖控制效果，在N2206皮帶順槽掘進(jìn)過斷層破碎帶時(shí)間隔3 m 布置2 個(gè)測站，在測站內(nèi)分別對頂板表面位移，頂板上覆1.0、3.0 m 以及6.0 m 位置巖層位移及離層情況進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果見圖4 所示。

圖4 斷層破碎帶圍巖支護(hù)效果

從監(jiān)測結(jié)果看出，在斷層破碎帶內(nèi)巷道頂板上覆頂板巖層離層量隨著支護(hù)時(shí)間增加，呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定趨勢，當(dāng)監(jiān)測超過38 d 后頂板離層基本穩(wěn)定，其中頂板上覆6.0、3.0 m 以及1.0 m 位置離層量最大分別為6.5、28.2、30.6 mm，頂板離層量整體較??；在監(jiān)測期間巷道頂板位移最大變形量為83 mm，頂板巖層穩(wěn)定，未有冒頂跡象。表明，N2206 皮帶順槽掘過斷層破碎帶期間采取的圍巖支護(hù)方案可滿足破碎帶巖體控制需要，可滿足巷道安全掘進(jìn)需要。

4 總 結(jié)

N2206 皮帶順槽掘進(jìn)期間會揭露DF112（H=0-25 m）、DF120（H= 0-8 m）等斷層，斷層破碎內(nèi)巖體破碎，會給巷道掘進(jìn)安全以及圍巖控制等帶來一定制約。依據(jù)巷道以及斷層實(shí)際情況，并結(jié)合工程類比法提出具體巷道掘進(jìn)過斷層破碎帶支護(hù)方案，并進(jìn)行工程應(yīng)用?，F(xiàn)場主要取得以下研究成果：

1）N2206 皮帶順槽掘進(jìn)過程中遇DF112 斷層，受斷層破碎帶內(nèi)巖體松散、粘結(jié)力等因素影響，巷道掘進(jìn)至該位置容易出現(xiàn)冒頂事故，現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)巷道過斷層破碎帶主要難點(diǎn)是如何確定頂板破碎巖體穩(wěn)定。為此，提出以密集超前鋼管為核心的破碎巖體控制技術(shù)。

2）在掘進(jìn)迎頭間隔200 mm 布置超前鋼管，并適當(dāng)降低巷道掘進(jìn)進(jìn)尺以及空頂距離來對破碎頂板進(jìn)行控制；同時(shí)使用錨網(wǎng)索及W 鋼帶構(gòu)成永久支護(hù)體系對圍巖進(jìn)行控制。

3）現(xiàn)場應(yīng)用后，巷道掘進(jìn)過斷層破碎帶期間未出現(xiàn)頂板冒落問題，使用超前鋼管支護(hù)后破碎帶巖層整體較為穩(wěn)定，頂板最大變形量控制在83 mm 以內(nèi)，圍巖變形不會給巷道使用帶來威脅。