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掘进巷道过断层围岩支护技术研究

2023-10-20 49 上传者：管理员

摘要：11505运输巷掘进揭露的F6断层落差在6.2 m，断层破碎带宽度5 m，该断层影响范围内煤岩体破碎，巷道掘进过断层期间在多因素综合影响下容易出现冒顶、片帮及围岩大变形等问题。根据现场情况，提出综合使用超前注浆+超前钢管方式对破碎顶板进行控制，顶板用全锚索支护，并设计支护参数。现场应用后，巷道过断层时顶板、煤壁始终稳定，顶板下沉量控制在89 mm以内。现场采用的围岩支护技术可实现断层影响范围内破碎煤岩体变形控制，并为11505运输巷安全高效掘进创造良好条件。

关键词：
巷道掘进
断层
耦合支护
超前注浆
超前钢管
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断层是煤炭采掘活动常见地质构造，掘进巷道过断层时往往面临掘进效率低下、围岩破碎以及支护难度大等问题，同时在过断层期间在构造应力、地应力及掘进扰动等多因素影响下，掘进迎头容易出现冒顶事故，给掘进安全带来较大威胁[1,2,3]。众多的学者及工程技术人员对巷道掘进过断层围岩应力演化、支护技术等展开研究，并总结归纳巷道过断层期间围岩应力、位移变化规律；针对围岩破碎、变形量大以及容易冒顶等问题，提出采用管棚、超前注浆、耦合支护等多种技术手段控制围岩，现场应用取得较好应用成果[4,5,6,7,8]。山西某矿11505运输巷掘进范围内地质构造发育，掘进期间会揭露多条段断层，给巷道掘进安全及掘进效率等均带来制约，文中就11502运输巷掘进过断层时采取得围岩支护技术展开阐述。

1、 11505运输巷概况

11505运输巷设计掘进长1 817 m，矩形断面（宽×高=4 500 mm×3 000 mm），巷道沿11号煤层底板掘进。11号煤赋存稳定，依据邻近采面（11502工作面）及待采的11503工作面回采巷道掘进揭露情况，预测11505工作面回采范围内11号煤层厚度介于7.24～8.59 m，煤层结构复杂，中间夹杂3～6层碳质泥岩、粉砂岩及泥岩矸石，夹矸层厚度合计0.58～1.23 m。11号煤层顶底板岩性参数如表1所示。

依据已有物探资料以及邻近采掘工作面揭露现实，预计11505运输巷在掘进期间会揭露多条断层，具体揭露的部分断层参数如表2所示。其中F1、F2及F3断层落差在0.45～0.79 m以内，对巷道掘进影响较小；F4、F5断层落差在1.1～1.7 m，对巷道掘进影响程度中等，且巷道均已顺利通过上述断层；在巷道掘进前方赋存的F6断层预计落差为5.2～8.6 m，断层给巷道掘进带来较大影响。因此，需要针对F6断层赋存特点及对巷道掘进影响，针对性采取围岩支护技术。

表1 11号煤层顶、底板岩性

表2 部分断层参数

2、巷道掘进过断层围岩控制技术

2.1 断层参数探测

由于F6断层参数仅通过已有的物探资料大致确定，具体赋存参数不详，为精准掌握F6断层赋存情况，在11505运输巷掘进距F6断层5 m时，用钻探探测F6断层。迎头布置2个钻孔，分别在左帮、右帮距离顶板1 m位置，倾角分别为2°、10°，沿着巷道掘进方向布置，具体探测钻孔揭露断层情况如图1所示。通过布置探测钻孔确定F6断层落差为6.5 m，断层破碎带宽度约为5.0 m，在上下盘靠近断层破碎带位置煤岩体破碎，巷道成孔较差。预计11505运输巷在F6断层影响范围内掘进时容易出现冒顶、片帮等问题。

图1 巷道迎头探测钻孔布置示意图

2.2 巷道围岩支护技术

11505运输巷掘进用EBZ-200综掘机，由于F6断层为正断层，巷道由上盘进入下盘，因此巷道掘进时需要破顶。在F6断层影响范围内围岩破碎，因此用注浆+超前钢管方式加固破碎围岩，后用锚网索进行永久支护。

2.2.1 超前注浆

11505运输巷与F6断层相距5 m时，即在掘进迎头布置注浆孔对断层影响区进行加固，提高断层影响范围内破碎、不稳定煤岩体强度及承载能力。具体迎头注浆采用的设备及注浆材料如表3所示。

表3 注浆设备及参数

在11505运输巷迎头顶板布置按照1 200 mm间距布置4个注浆钻孔，钻孔仰角均为30°；在巷帮位置各布置3个注浆钻孔，注浆孔平行巷道掘进方向且与巷帮间有30°外插角。具体注浆参数如表4所示。

表4 注浆参数

2.2.2 超前钢管支护

在11505运输巷过F6断层时围岩破碎，顶板岩性以破碎的泥岩、碳质泥岩及中粒砂岩等为主，根据11505运输巷及F6断层影响范围内现场情况，提出通过超前管棚对F6断层破碎煤岩体进行加固，避免巷道掘进时出现冒顶问题。在断层破碎带支护采用的超前钢管规格为Φ40 mm×2 000 mm，超前钢管均布置在迎头顶板上，布置间距为300 mm、仰角30°。在过断层期间适当缩小掘进进尺，控制在800 mm内，掘进迎头空顶距控制在200～1 000 mm。具体巷道过断层期间超前钢管布置如图2所示。

巷道掘进后采用全锚索支护并用锚网强化围岩表面支护强度。顶板支护用4根Φ17.8 mm×6 300 mm锚索、2根Φ17.8 mm×11 800 mm锚索，间排距分别为1 200 mm、1 200 mm,2 400 mm、2 400 mm，支护用锚索用W钢带（220 mm×4 mm×4 400 mm）连接；锚索施加超过130kN预紧力。巷帮用Φ18mm×2200mm锚杆支护，间排距1 200 mm、1 200 mm。顶板及巷帮全断面铺设金属网。

图2 超前钢管布置示意图（单位：mm)

3、围岩支护效果分析

为掌握11505运输巷过F6断层期间围岩控制效果，在断层影响区内按照5 m间距布置2个观测点，具体监测得到顶板下沉结果如图3所示。从监测结果看出，2个观测点顶板下沉量变化曲线基本一致且变形量相差在5 mm以内；围岩支护完成40 d后顶板下沉量基本趋于稳定，期间监测到顶板最大下沉量分别在89 mm、85 mm，顶板岩层保持稳定，金属网未有网兜情况出现；巷道在断层影响区内掘进时迎头煤壁以及破碎顶板始终保持稳定，未有冒顶或者片帮征兆。现场应用表明，在巷道过断层破碎带时，采用超前注浆、超前钢管组合方式可实现破碎顶板有效控制，避免掘进期间出现冒顶、片帮问题，同时使用全锚索对顶板进行永久支护，可避免变形量大问题。

4、结论

1)11505运输巷掘进会揭露F6断层，采用钻探方式F6断层赋存情况及参数，发现F6断层影响范围内顶板破碎，在构造应力、地应力及掘进扰动等综合作用下容易出现冒顶、片帮以及围岩变形量大等问题，给巷道掘进安全及后续使用带来影响。根据现场条件提出通过超前注浆+超前钢管方式对破碎顶板进行控制，避免掘进时出现冒顶或者片帮等问题；顶板用全锚索+W钢带+金属网方式实现围岩变形量控制。

2）图3 顶板下沉量监测曲线对超前注浆、超前钢管及巷道永久支护方案进行设计，现场应用后，11505运输巷在F6断层影响范围内掘进期间顶板及迎头煤岩体始终保持稳定，未有冒顶或片帮征兆出现；同时支护完成后巷道顶板最大下沉量控制在89 mm以内，围岩变形量整体较小。

参考文献:

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文章来源:李锡凯.掘进巷道过断层围岩支护技术研究[J].机械管理开发,2023,38(10):255-257.