厚煤层巷道掘进冒漏机理及安全支护技术

张立业

（晋能控股煤业集团白洞矿业公司，山西 大同 037031）

巷道掘进过程中受断层影响破坏了原岩稳定性，改变了围岩力学性质，导致断层带附近围岩出现应力显现现象，主要表现为顶板破碎、断裂、下沉甚至局部冒漏，底板鼓起，两帮片帮以及收敛等。采用传统锚杆（索）对变形围岩进行支护时，支护体锚固效果差，支护失效率高，无法对变形围岩进行控制。本文以白洞矿2106巷为研究对象，对巷道掘进过断层期间顶板出现冒漏机理进行分析，根据掘进现状采取合理有效的围岩联合控制技术[1-5]，保证巷道快速过冒漏区，防止冒漏区范围进一步扩大。

1 概况

晋能控股煤业集团白洞矿业公司2106巷位于301盘区3#煤层南部，北部为实煤区，西部为盘区回风巷、轨道巷和皮带巷，南部为已采的8108工作面，东部为矿界煤柱。2106巷设计全长144.6 m，掘进煤层为石炭系3#煤层，煤层总厚为10.42～11.37 m，煤层普遍有5～8层夹矸，夹矸厚一般为0.72 m，夹矸断断续续，不稳定。煤层属于稳定煤层，巷道在煤层中掘进时煤层结构、煤体基本无变化。煤层顶底板岩性见表1。

表1 3#煤层顶底板岩性表

2106巷设计为矩形断面，净宽5500 mm，净高为4000 mm，净断面积为22.0 m2，底板硬化铺设150 mm混凝土。

2 巷道掘进现状及问题分析

2.1 巷道掘进现状

（1）巷道采用锚杆（索）+W型钢带联合支护，如图1。

2106巷顶板采用锚杆与W型钢带配合支护。每排布置6根长度为2.0 m、直径为20 mm锚杆，锚杆间距1.0 m，排距为1.2 m。W型钢带长度5.2 m，宽度为0.25 m。巷道每掘进3.0 m在顶板施工3根单锚索，锚索布置间距为2.0 m，锚索长度为5.0 m，直径为17.8 mm。锚索与长度及宽度为0.3 m钢托板联合支护。

2106巷巷帮采用单锚杆与金属网联合支护。巷帮布置4排长度为2.0 m、直径为18 mm单锚杆，锚杆外露端安装一根长度0.4 m、宽度0.25 m“W”型钢带，锚杆安装间排距为1.0 m。

（2）2106巷采用综合机械化掘进工艺，已掘进至572 m。巷道掘进至560 m处时揭露F7正断层，断层落差为1.9 m，倾角为65°，断层与巷道成67°夹角，断层对巷道掘进影响长度为52 m。巷道掘进至560 m处时顶板破碎，掘进至562 m处时顶板出现第一次冒漏，冒漏高度为1.2 m，冒漏宽度为2.3 m，巷道冒漏后及时采取密集锚索进行加固，控制了顶板冒漏现象。掘进至568 m时，顶板第二次出现冒漏，冒漏高度达3.5 m，宽度为3.7 m，长度为4.0 m，冒漏区成不规则半圆状，冒漏区内煤岩体无稳定结构，导致冒漏区支护难度大、支护效果差。

2.2 顶板冒漏机理

（1）煤层赋存差。2106巷为全煤巷道，3#煤层结构相对复杂，煤层内多层夹矸破坏了煤体结构，3#煤层平均单轴抗压强度不足15 MPa。巷道为矩形断面，巷道掘进过程中顶板与巷帮之间的肩角煤易出现失稳，煤体间静摩擦角变小，局部肩角煤柱垮落、破碎，导致两帮煤柱稳定性降低。两帮煤柱失稳过程中造成顶板承载梁力学结构发生变化，降低了顶板稳定性。

（2）地质构造影响。F7断层侵入对2106巷影响较大，断层侵入后破坏了煤岩体连续稳定结构，巷道在揭露断层前后期间构造应力沿掘进空间以及断裂带下卸压释放。在卸压过程中构造应力对煤岩体产生水平剪切破坏作用，造成断层带附近煤体酥松破碎，局部煤体硅化现象。

（3）掘进工艺影响。2106巷沿3#煤层底板掘进，掘进高度为4.0 m，留顶煤厚度达7.37 m。巷道掘进后虽然采用锚杆（索）对顶煤及时进行控制维护，但是顶煤受构造应力、上覆岩体重力等影响，煤体出现断裂、破碎现象，顶煤承载强度降低。

（4）支护强度不足。原顶板中主要采用锚杆（索）支护，锚杆（索）支护主要通过锚固和预应力作用实现支护作用。而2106巷在掘进过程中顶煤稳定性差，顶板破碎过程中形成围岩松动圈，松动圈范围扩散至锚杆（索）锚固段时，造成锚杆（索）锚固失效现象，支护质量降低。

3 冒漏区支护技术

为了控制冒漏区范围扩大，提高冒漏区围岩稳定性，防止冒漏区有害气体超限，决定对2106巷冒漏区围岩采取“注锚加固+人工假顶填充+密集钢棚”联合加固技术。

3.1 注浆加固

（1）注浆加固目的。通过对2106巷冒漏区附近裂隙岩体进行注浆，使浆液渗透至裂隙带内对裂隙岩体进行填充、粘接，从而加固裂隙岩体整体稳定性，形成具有柔性的人工承载结构，增加破碎岩体抗载荷能力，防止岩体二次冒漏。

（2）注浆材料及设备。采用2ZBQS7/12型气动注浆泵进行注浆施工，额定流量为7 L/min，额定注浆压力为12 MPa，供气压力为0.5 MPa。该注浆泵可利用工作介质（浆液，压缩空气）传递压力，组成闭环自动调控性能，结构简单可靠。注浆材料采用聚氨酯与固化剂以1:1混合的高分子材料，该注浆材料具有黏度低、渗透能力强、凝固速度快且凝固过程中发热温度为90 ℃、不易自燃等优点。

（3）注浆工序。① 首先在巷道冒漏区以及冒漏区往后10 m范围内顶板施工注浆钻孔。冒漏区内注浆钻孔沿冒漏区顶板四周布置，钻孔深4.0 m；冒漏区往后10 m范围内注浆钻孔深度为3.0 m。钻孔布置间距为2.0 m。② 注浆时由外向里依次注浆加固，单孔注浆顺序为：安装注浆软管→安装封孔器→连接注浆泵→开启注浆泵。③ 注浆过程中单孔注浆量不得低于45 kg，注浆压力控制在1.5 MPa左右，注浆时间不低于15 min。

3.2 人工假顶施工

待工作面注浆加固完成后，对工作面施工人工假顶及组合锚索。

（1）由于冒漏区范围及高度较大，为了提高冒漏区假顶稳定性，首先在冒漏区下方施工三架锚索吊棚。吊棚长度为4.2 m，每架吊棚采用两根长度为4.0 m锚索起吊，锚索吊棚与巷道两帮垂直布置，吊棚布置间距为1.5 m。吊棚施工后，吊棚面与顶板之间间隙为0.1 m。

（2）冒漏区锚索吊棚施工完后，在吊棚上方依次铺设钢筋网、风筒布，然后在其上方采用道木架设双组“井”的木垛。木垛架设后必须与冒漏区顶板接触严实。

（3）冒漏区人工假顶施工完后，采用注浆泵对假顶间隙注入罗克休进行封堵，防止煤体氧化自燃现象。

（4）假顶施工完后10 m范围采用组合锚索加固。组合锚索主要由一块宽度及长度为0.5 m钢板以及3根长度为10.3 m、直径为21.8 mm恒阻锚索组成。每排施工两组组合锚索，布置间距为2.0 m，排距为3.0 m，如图2。

3.3 梯形钢棚加固

冒漏区围岩注浆、假顶施工后，为防止巷道掘进过程中受施工扰动影响，假顶区下沉、垮落，决定从560 m处对巷道顶板安装梯形钢棚进行加固。

（1）梯形钢棚主要由顶梁、棚腿、卡缆、底座、连接杆等部分组成。顶梁长度为5.2 m，顶梁采用14#槽钢焊制而成，顶梁两端各焊制一组直径为30 mm圆孔。棚腿采用U29型钢棚焊制而成，每根棚腿由两节长度为2.5 mU29型钢组成。

（2）梯形棚安装顺序为：底座→棚腿→顶梁。钢棚安装过程棚腿与顶梁之间夹角为75°，钢棚底座与底板采用地锚进行固定，钢棚安装间距为1.0 m。所有钢棚安装后在相邻两架钢棚棚腿之间采用一组连接杆进行固定。

4 结论

（1）冒漏区围岩采取注浆后，裂隙岩体单轴抗压强度由原来不足20 MPa提高至38.7 MPa，大大提高原岩强度，对裂隙带进行有效填充，控制了裂隙带延伸以及围岩松动圈范围扩大。

（2）对冒漏区采取人工假顶施工后，实现了冒漏区填充加固作用，增加了冒漏区顶板岩体稳定性，防止因巷道掘进过程中受掘进扰动影响以及围岩蠕动变形影响，出现冒漏范围扩大现象；对冒漏区填充后杜绝了冒漏区围岩与空气接触氧化现象。

（3）相比传统矩形钢棚，梯形钢棚可调整棚腿迎山角适应不同应力状态下的围岩支护，具有变形率小、支撑强度高等优点。通过安装梯形钢棚后降低了冒漏区围岩应力对煤柱剥离破坏作用，提高了两帮煤柱稳定性，控制了肩角煤柱垮落现象。