煤巷过断层支护技术研究

2019-10-11赵瑞峰

煤 2019年9期

赵瑞峰

(霍州煤电集团公司团柏煤矿，山西霍州 031414)

顶板事故是煤矿的主要灾害之一，占据煤矿井下人员伤亡事故的50%[1]。在煤矿生产中，断层为常见的地质构造，当巷道掘进通过断层时，一方面影响掘进速度，另一方面易造成顶板局部破碎甚至冒顶并诱发顶板事故。在分析总结现有过断层方法的基础上，团柏煤矿针对11-1052巷提出了具体的过断层支护技术方案，对于指导巷道安全快速掘进，具有重要意义。

1 断层区易发生顶板事故的原因

在我国各个矿区所发生的顶板事故案例中，巷道遇到断层构造发生顶板事故以及巷道发生变形的原因主要有以下几点[2]：①工程地质条件突变。不同于其他生产活动，煤矿地质条件复杂多样，限于物探技术手段，过去在煤巷掘进过程中往往无法对前方地质条件进行准确预估，仅能做到“边掘边探”，因此遇到断层及陷落柱等其他异常地质条件时，原有支护无法满足要求，从而引发产生顶板事故的危险。②巷道遇断层变形及顶板破断机制不明。煤巷掘进遇到断层时，由于对断层构造区域巷道变形及顶板破断机理研究不够深入，使得在过断层时不能针对性地提出支护方案，导致不能主动减弱断层构造带来的影响，使得发生顶板事故的风险增大。

2 煤巷过断层方法简述

1) 后退挑顶法。当煤巷沿掘进方向遇到正断层(如图1所示)时，宜通过后退挑顶法过断层，挑顶至断层面，巷道顶板为下盘煤层顶板，从而采用原支护方式继续掘进[3]。

2) 后退挖底法。煤巷沿掘进方向遇到逆断层(如图2所示)时，宜通过后退挖底法过断层，挖底至断层面，巷道顶板为上盘煤层顶板，从而采用原支护方式继续掘进[4]。

图1 巷道掘进过正断层

图2 巷道掘进过逆断层

需要注意的是，挑顶与挖底过程中，需采取架棚及打设加强锚索等方式补强支护。同时，对落差较大的断层，应采用台阶施工方式，逐步施工到位。

3 巷道工程地质条件

团柏煤矿11-1052巷服务于11号煤首采工作面，巷道相对位置地面标高为+688～+830 m，工作面标高为+436～+470 m。地面相对位置位于堡后村以南，下团柏断层以北，后义村以西，张泉村以东。地表为黄土梁垣地貌；井下东部为首采区胶带巷，西部、南部为实体煤，北部为11-104回采工作面，上覆10号煤10-109、10-107采空区，其四邻关系如图3所示。11-1052巷沿顶板掘进，11号煤层顶板为粉砂岩与细粒砂岩，综合柱状如图4所示。巷道设计长度1 671 m，设计断面为4.4 m(宽)×2.7 m(高)。

图3 巷道四邻关系示意

4 巷道过断层支护技术

4.1 断层情况

根据矿方水害防控中心的地质预报显示，11-1052巷在4号导线点前135 m处揭露一条落差0.7 m、倾角68°的正断层，4号导线点前210 m处揭露一条落差1.1 m、倾角67°的正断层，两条断层均不导水。

图4 煤层顶底板综合柱状图

4.2 过断层方法及支护技术

由于两条断层均为正断层，因此采用后退挑顶法过断层方式，当煤巷挑顶挖掘程度达到断层时，保证巷道顶部与断层下盘煤层处于同一位置，并采用锚杆支护将断层面附近的顶板加固，同时，过断层期间若断层处有出水迹象时，应立即停止作业。巷道掘进仍采用机掘方式掘进，小循环作业，掘一锚一。过断层期间，将锚杆排距由正常段的1 100 mm缩小为900 mm；顶板破碎时，需将锚杆排距进一步缩小至600～800 mm；顶板破碎严重，采用“锚网索支护”不能有效控制时，则将巷道支护方式变更为“锚网索+架棚”联合支护[5]。具体支护参数如下：

1) 锚网索支护。顶板及巷帮锚杆选用D20 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.0 m，杆尾螺纹M22，间排距分别为950 mm×900 mm与1 000 mm×900 mm(顶板破碎时缩小排距为600～800 mm)，均采用规格为CK2340+Z2360两支树脂锚固剂进行锚固，锚杆预紧扭矩不低于300 N·m。托板采用拱型高强度托板，规格为150 mm×150 mm×8 mm，托板高度不低于38 mm，配合调心球垫和减摩垫圈使用。选用规格为450 mm×4 mm×280 mm的W钢护板作为组合构件，采用10号铁丝编织的菱形金属网护顶，网孔规格为50 mm×50 mm，网片规格分别为4 700 mm×1 100 mm与2 700 mm×1 100 mm。

锚索选用材料为D17.8 mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度5.3 m，锚索安装在两排锚杆间顶板中部，间排距1 600 mm×900 mm，每排两根布置。采用一支CK2340和两支Z2360树脂锚固剂锚固，采用300 mm×300 mm×14 mm拱形高强锚索托板，托板高度不低于60 mm，配调心球垫。锚索张拉预紧力不低于180 kN。锚杆及锚索全部垂直顶板或巷帮布置。

2) “锚网索+架棚”联合支护。当顶板破碎严重时，采用“锚网索+架棚”联合支护方式。“锚网索”支护方式同上，架棚支护方式具体为：采用11号工字钢架棚支护，棚梁上净口为3.6 m，下净口为4.4 m，毛高2.7 m，净高2.5 m，棚腿2.7 m，棚距缩为600 mm，小循环作业，掘一支一，工作面满足一架棚距时，必须先架设棚子。顶部采用厚度不低于7 cm的木背板进行花背，横梁及两帮均采用构木进行盘帮构顶，横梁上2根撑木，在距梁头两侧300 mm的位置各搭设一根。每侧棚腿上2根撑木，距梁头600 mm、1 900 mm处各搭设1根撑木。每侧棚腿为4根构木，距梁头300 mm处放置一根，然后每隔600 mm放置一根。要求撑木垂直棚子，所有撑木打成一条直线，打紧打牢。棚腿柱窝采用风镐施工，深度不小于100 mm。若底板为泥岩，则棚腿需穿250 mm×250 mm的钢板鞋。

岔角及迎山角要符合规定，在棚梁与棚腿叉角处吊挂1 m的垂线，1 m线绳的端头距棚腿水平距离不小于17 0mm，迎山角每6～8°迎1°。

5 巷道矿压监测

在巷道通过断层期间，安设一个矿压监测测站，监测掘进期间锚杆受力变化。根据掘进期间的矿压监测数据，绘制如图5所示的曲线。由图5可看出，在巷道过断层掘进初期，顶板及两帮部分锚杆有较为明显的受力变化，均表现为增大，增幅为20 kN，同时锚杆的初始受力均较大，能够充分发挥高预应力主动支护的作用，锚杆受力在巷道掘进期间整体表现较为平稳。同时结合巷道变形观测可知，在过断层期间及过断层后一段时间内，巷道顶板下沉很小，底板略有鼓起，最大鼓起量约为540 mm，两帮移近量最大为478 mm。矿压监测表明，采用上述过断层技术方案，成功地保证了巷道的安全掘进。