煤矿过大断层联合支护技术研究

【摘 要】我国煤矿资源较为丰富，但由于我国地形结构复杂，很多采矿区所处的埋深较大，内部构造非常复杂，同时受到地应力高及其岩石破碎的影响，对煤层的开采难度更大。对此，本文提出采用过大断层联合支护技术来解决采煤问题，针对断层影响区采用“锚网喷+锚注”的方法，在断层区则采用“U型钢+超前预注浆+锚注”的方法，努力使巷道内的岩层不发生变形和破坏。实践证明，上述两种方法在实际应用中的效果非常明显，有效解决了巷道在通过断层时所遇到的断层碎石等一系列问题。

【关键词】大断层；超前预注浆；联合支护

1.煤矿断层概念及影响

地壳岩层因受力达到一定强度而发生破裂，并沿破裂面有明显相对移动的构造称断层。断层破坏了岩层的连续性和完整性，因此给矿井正常生产造成较大的影响及事故隐患。断层两处对口接触的过程中容易发生突水，严重威胁井下作业的安全。断层会增加井下事故的发生几率，其主要的原因有以下几个方面：首先，由于处在断层的影响范围内，在煤矿采区只能采用单一线路前探，无法形成回采巷道，进而造成成本的增加；同时，在巷道开凿的过程中，受顶层断层的影响，巷道的支护难度较大；此外，在巷道开采的过程中，起底放顶过断层导致煤矿的出煤率不高，煤炭质量无法保证。

2.断层破碎带巷道变形破坏的原因

在断层破碎带中，由于受到各种外力的挤压，导致巷道会发生变形甚至遭到破坏，比如围岩盈利高、围岩峰后力学等，这些外力因素能够直接影响到巷道的安全。

2.1围岩应力高

巷道在开凿后发生扭曲变形甚至遭到破坏，其“元凶”就是收到原岩应力的作用和影响，由于煤层深度的不断增加，垂直应力也会随之增大，中间应力与垂直应力比较相似，与埋深之前的关系成正比。根据相邻采区地应力的测量可以发现，其中构造应力主要以水平方向为主，形成的水平应力所具有的方向性较为明显。相邻采区内的应力最大值要控制住在26.04MPa-26.25MPa，而其最小值的范围在12.48MPa-14.00MPa之间；其中，最大应力高要达到最小应力的1.63-2.09倍。在进行巷道挖掘时，在围岩应力的作用下，岩块会按照事先设计的剪切面滑行移动，而对破碎围岩而言，更容易导致更严重的破坏情况发生。

2.2应变软化特性

在对岩石进行应力测试后，如果岩石在达到峰值后，仍然存在承载能力，但由于其承载能力与应变之间的关系是呈反比趋势的，也就是承载能力会随着应变的增大而逐渐减小，以至于出现应变软化现象。巷道挖掘过程中，如果不对断层带的碎石进行细致的分析和控制，容易导致破碎岩体能够摩擦，进而出现冒顶或片帮等现象。

2.3体积膨胀特性

采用三轴压缩试验来对泥岩和砂岩的膨胀特性进行分析，结果发现大体积膨胀现象的发生一般都出现在岩石被破坏后而瞬间形成的，在进行残余强度测试时发现，尽管没有增加负荷，那么岩石的体积也是会不断增大的，这表明在巷道挖掘的过程中，其围岩受到破坏后，内部力得到释放，进而形成这种体积膨胀的现象。在对断层嗲岩层进行分析的过程中发现，相较于峰值前岩石的体积，峰值后的体积高出1-2个数量级。所以，控制断层破碎带巷道围岩变形从本质上来讲就是控制围岩的体积不发生膨胀。

3.支护方案及参数设计

巷道在穿过断层区域时，由于岩层断层较多，内部情况难以具体掌握，因而在具体的巷道施工中实行分段治理，结合地下岩层的实际情况来有针对性的开展工作，以获得更为理想的支护效果，进而使巷道能够使用更长的时间。其中，在分段支护方面具体有两套方案，一套方案是针对构造影响区域而言，采用“锚网喷+锚注”的方式进行联合支护；另一套方案主要针对断层岩体破碎的区域，采用的方法是“U型钢+超前预注浆+锚注”的方式来进行联合支护。

3.1“锚网喷+锚注”联合支护

这种支护方式主要是采用高强度的全螺纹锚杆来实现，以锚梁网喷的方式进行基础支护，然后利用注浆锚杆及其注浆锚索对初级支护进行加固，在巷道底板采用螺纹钢注浆锚杆，同时采用16#槽钢来实现对巷道底板部的加固。

3.2“U型钢+超前预注浆+锚注”联合支护

在断层破碎区，由于泥岩结构存在差异，并且极易破碎，因而采用放炮的方式来进行掘进是不可取的，因而在巷道挖掘方面需要采用挖装机来进行挖掘，单次掘进距离1.2米，挖掘机在巷道内进行挖掘后，要立即用U型钢棚来进行支护。

3.2.1 U型钢棚支护

U型钢棚支护所应用的材料是半圆拱U32型钢棚，钢棚间距0.6米，棚腿用锁腿锚杆来进行加固，由于岩层断层中含有碎石，为了保证施工的安全性需要进行超前支护，具体做法在棚拱基线以上采用打管撞楔并于巷道轮廓成3-5度的倾斜角，顺势向上开凿，撞楔后部在U型钢支架上进行固定，间距在0.2米以内，超前控制距离要在1米以上。

3.2.2超前预注化学浆

巷道靠近断层破碎区时要对其进行化学注浆加固，具体采用长度为4米的 25.4mm钢管，实管长为1米，注浆花管长3米，并以间距0.5米开孔。以巷道轮廓为准，注浆管向外倾斜5-10度的扎角，在拱基线上方从中顶向两端铺设5根间距为1.5米的钢管，外露长度小于3米。采用循环注浆的方式，每次注浆距离为4米，超前空顶距大于1.5米。

3.2.3超前预注水泥浆

在靠近断层破碎区时，要进行水泥浆的预注，在巷道轮廓顶部用长孔、短孔相结合的方式，注浆密实岩石缝隙并形成胶结以达到加固的目的。

3.2.4锚注支护

水泥浆稍微凝固后采用注浆锚索来对两帮进行加固支撑，两帮底角采用螺纹钢锚杆来进行支护，采用16#槽钢对底板加固，使之与岩体更加紧密，确保巷道能够长期稳定牢固。

3.3支护参数

3.3.1高强树脂锚杆

锚杆选用左旋伞螺纹高强锚杆，其标准 0.022米 2.6米，排距为0.7米，锚固长1米，锚固力≥80KN。

3.3.2注浆锚杆

①顶帮选用螺纹钏中宁注浆锚杆，型号为 0.025米 2.5米，破断力≥150kN，在锚杆上有 6mm注浆孔，其锚杆问排距是2.1米 1.2米。侧帮的注浆锚杆与帮部注浆锚索之间距离为1米，相邻排之间的距离为1.2米。②底角注浆锚杆排距为1.2米，与底板距离为0.2米，与水平方向夹角为30°③底板注浆锚杆每排4根，问排距为1.6米 l.2米。

3.3.3注浆锚索

顶、帮所采用的注浆锚索型号为 0.022米 7米，问排距为2.1米 l.2米，顶板放置3根，帮部放置2根，共计5根。

3.3.4注浆参数

注浆材料主要是普通的硅酸盐水泥，其型号为P.O42.5；在添加剂方面采用采用质量占比4%-6%的ACZ-I型水泥添JJ几剂。浆液水灰占比35%-50%，压力控制在2.0MPa-3.0MPa。

3.4支护效果

据断层带表面位移情况显示，采用这种过大断层联合支护技术能够有效改善围岩周围岩石的物力特性，使岩层的状态更趋稳定，确保巷道不发生变形。

4.结束语

在处理煤矿过大断层时所采用的联合支护技术能够实现巷道快速穿过破碎带，利用分段支护策略提高围岩承重能力，进而确保巷道所在岩层不发生碎裂和坍塌，使井下作业的安全得以保证。 [科]

【参考文献】

[1]兰兵.断层组应力分布的数值模拟及巷道组支护技术研究[D].安徽理工大学，2012（06）.

[2]卢立书，张庆和.潘西煤矿深部井巷联合支护技术研究与实践[J].山东煤炭科技，2011，08（15）.

[3]周明昊，张妮.埋深矿井软岩及断层巷道的联合支护技术[J].科技致富向导，2013，04（20）.