掘進(jìn)巷道過(guò)斷層破碎帶安全措施研究

蘇張鋒

（晉城宏圣建筑工程有限公司 ，山西 晉城 048000）

1 工程概述

寺河煤礦位于山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮(zhèn)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10.8.0Mt/a，井田面積約為230km2，全井田可采煤層分為3#、9#、15#煤層，煤層總厚度10.32m，目前主回采煤層為3#煤層，平均厚度為6.31m。礦井設(shè)計(jì)為斜井立井綜合開(kāi)拓方式，綜合機(jī)械化開(kāi)采，采區(qū)布置分為東區(qū)、西區(qū)、北區(qū)三個(gè)部分。

寺河礦東六盤(pán)區(qū)東回風(fēng)大巷位于+380水平，工作面以東為礦界、西為東井區(qū)東回風(fēng)二巷（已掘）、北為+380水平回風(fēng)巷（未掘）。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為360m，巷道為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=5.0×4.5m，巷道直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，泥巖厚度為3.2m，基本頂主要以細(xì)砂巖為主，平均厚度為11.8m，該巷道由晉城宏圣建筑工程有限公司承包施工；巷道初步支護(hù)設(shè)計(jì)中頂板采用單錨桿及錨索支護(hù)，錨桿采用直徑為22mm，長(zhǎng)度為2.4m左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨索采用直徑為21.6mm，長(zhǎng)度為7.3m預(yù)應(yīng)力鋼絞線，截至目前巷道已掘進(jìn)170m。

根據(jù)寺河煤礦地測(cè)科提供資料顯示，東回風(fēng)大巷掘進(jìn)至375m處將揭露一條正斷層F7，斷層落差為1.5m，傾角為55°，如圖1所示；受構(gòu)造應(yīng)力影響，巷道掘進(jìn)至352m處頂板開(kāi)始出現(xiàn)破碎，頂板巖體單軸抗壓強(qiáng)度僅為6.7MPa，且頂板下沉現(xiàn)象嚴(yán)重，最大下沉量達(dá)0.47m，巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足支護(hù)要求。

圖1 寺河煤礦六盤(pán)區(qū)東回風(fēng)大巷F7斷層剖面示意圖

2 破碎頂板聯(lián)合控制措施應(yīng)用

晉城宏圣建筑工程有限公司常店項(xiàng)目部通過(guò)研究，決定采用強(qiáng)行破巖法過(guò)F7斷層，為了保證巷道過(guò)斷層期間施工安全，在過(guò)斷層前后15m范圍內(nèi)對(duì)破碎頂板采用“注漿+施工撞楔加長(zhǎng)錨桿支護(hù)+架設(shè)“π”型工字鋼棚”等聯(lián)合方法進(jìn)行維護(hù)。

2.1 注漿支護(hù)

由于受構(gòu)造應(yīng)力影響，頂板原巖出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，破碎巖體單軸抗壓強(qiáng)度及承載能力大大降低，造成原頂板支護(hù)質(zhì)量差、支護(hù)失效現(xiàn)象嚴(yán)重，所以可通過(guò)注漿法提高破碎巖體膠結(jié)穩(wěn)定性及承載能力。

1）東回風(fēng)大巷掘進(jìn)至360m處（距F7斷層15m）開(kāi)始對(duì)破碎頂板施工注漿鉆孔并進(jìn)行注漿，工作面每排布置4個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為55mm，鉆孔深度為8.0m，鉆孔間距為1.2m鉆孔布置在距巷道頂板1.0m處且與頂板成30°夾角布置，如圖2所示。

2）鉆孔施工完后采用高壓注漿泵向鉆孔內(nèi)注射馬麗散與催化劑配比為1：1的混合液，在注漿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)巖體出現(xiàn)漿液滲透現(xiàn)象時(shí)立即停止注漿并對(duì)鉆孔采用黃泥砂漿進(jìn)行封堵，待注漿2h后方可繼續(xù)掘進(jìn)。

3）第一排鉆孔注漿完成且巷道掘進(jìn)5.0m后，開(kāi)始施工第二排注漿鉆孔并進(jìn)行注漿工序，相鄰兩排注漿孔水平方向交錯(cuò)2.0m布置。

2.2 撞楔超前加長(zhǎng)錨桿支護(hù)

由于頂板相對(duì)破碎，為了防止巷道在掘進(jìn)期間頂板出現(xiàn)垮落事故，晉城宏圣建筑工程有限公司常店項(xiàng)目部決定在巷道掘進(jìn)前在巷道設(shè)計(jì)頂板位置施工一排撞楔超前加長(zhǎng)錨桿支護(hù)。

1）東回風(fēng)大巷采用的撞楔超前加長(zhǎng)錨桿支護(hù)主要由若干根長(zhǎng)度為4.5m，直徑為22mm的加長(zhǎng)錨桿組成。

2）首先在巷道設(shè)計(jì)頂板位置施工一排超前支護(hù)鉆孔，鉆孔深度為4.0m，鉆孔直徑為30mm，鉆孔垂直工作面布置，每排施工10個(gè)鉆孔，鉆孔間距為0.5m。

3）超前支護(hù)鉆孔施工完后依次在鉆孔內(nèi)填裝錨固劑及鋼針并進(jìn)行錨固，每個(gè)鉆孔填裝三支錨固劑，從孔底往外依次為兩支MSK23/35型和MSZ23/60型。

4）第一排超前支護(hù)施工完后巷道繼續(xù)掘進(jìn)，當(dāng)巷道掘進(jìn)1.0m后在頂板施工永久支護(hù)時(shí)采用鋼帶及錨桿將超前支護(hù)與頂板固定預(yù)緊，每掘進(jìn)1.0m施工一根鋼帶，當(dāng)巷道掘進(jìn)3.5m時(shí)巷道設(shè)計(jì)頂板開(kāi)始施工第二排撞楔超前支護(hù)，且與第一排疊加交錯(cuò)布置，疊加長(zhǎng)度為1.0m。以此類推直至巷道完全過(guò)斷層破碎帶且頂板穩(wěn)定后停止施工超前支護(hù)。

2.3 架設(shè)“π”型工字鋼棚

為了進(jìn)一步提高頂板穩(wěn)定性，防止頂板下沉，晉城宏圣建筑工程有限公司常店項(xiàng)目部通過(guò)研究決定，在東回風(fēng)大巷破碎頂板注漿支護(hù)、永久支護(hù)以及超前支護(hù)施工完后決定在其下方架設(shè)“π”工字鋼棚。

1）東回風(fēng)大巷破碎頂板架設(shè)的“π”型工字鋼棚主要由四節(jié)棚腿、一節(jié)“π”型頂梁以及兩個(gè)棚腿底座組成，每節(jié)棚腿由11#工作鋼梁組成，棚腿長(zhǎng)度為2.5m，每?jī)晒?jié)棚腿通過(guò)滑槽及卡纜連接固定，伸縮長(zhǎng)度范圍3.0-5.0m；頂梁長(zhǎng)度為4.8m，棚腿底座采用規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=300×300×5mm鋼板制成。

2）首先在架設(shè)鋼棚處巷道兩幫底板進(jìn)行起底施工棚腿基礎(chǔ)坑，起底規(guī)格為長(zhǎng)×寬×深=300×300×200mm，起底后將棚腿底埋入基礎(chǔ)坑內(nèi)并采用強(qiáng)度為C30混凝土進(jìn)行澆筑。

3）棚腿底座安裝后依次安裝棚腿，棚腿與底座之間采用兩根固定錨栓進(jìn)行連接預(yù)緊，兩節(jié)棚腿之間采用卡纜固定，棚腿安裝后為保證棚腿穩(wěn)固在棚腿與巷幫之間施工兩根長(zhǎng)度為1.0m固定錨桿并采用卡纜固定，如圖2所示。

圖2 寺河煤礦東回風(fēng)大巷斷層破碎帶聯(lián)合支護(hù)斷面圖

4）棚腿安裝后將“π”型頂梁與其對(duì)接并采用卡纜預(yù)緊固定，預(yù)緊力不得低于200N.m

5）第一架鋼棚架設(shè)完后開(kāi)始架設(shè)第二架鋼棚，相鄰兩架鋼棚間距為1.0m，待所有鋼棚架設(shè)完后在相鄰兩架鋼棚頂梁之間鋪設(shè)長(zhǎng)度為1.5m，寬度為0.3m水泥背板，水泥背板鋪設(shè)完成后通過(guò)調(diào)節(jié)棚腿滑槽升降器將頂梁升起，確保水泥背板與巷道頂板接觸嚴(yán)實(shí)。

3 應(yīng)用效果分析

1）東回風(fēng)大巷在掘進(jìn)期間，對(duì)斷層帶附近頂板破碎巖體采取注漿支護(hù)，有效提高了頂板膠結(jié)穩(wěn)定性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)注漿后頂板破碎巖體單軸抗壓強(qiáng)度提高至18.2MPa,在過(guò)斷層期間頂板未出現(xiàn)局部破碎、冒頂現(xiàn)象。

2）通過(guò)施工撞楔超前加長(zhǎng)錨桿支護(hù)對(duì)破碎頂板進(jìn)行超前維護(hù)，有效避免了頂板破碎支護(hù)措施不及時(shí)，造成巷道掘進(jìn)期間工作面迎頭煤壁片幫、頂板垮落事故發(fā)生；實(shí)踐證明東回風(fēng)大巷施工撞楔超前支護(hù)后工作面在過(guò)F7斷層期間工作面煤壁片幫得到很好控制，頂板未發(fā)生一起垮落事故。

3）通過(guò)架設(shè)密集“π”型鋼棚對(duì)斷層破碎帶頂板進(jìn)行支護(hù)，進(jìn)一步提高了頂板整體穩(wěn)定，對(duì)頂板下沉、變形現(xiàn)象得到了有效控制，東回風(fēng)大巷架設(shè)鋼棚后對(duì)其頂板進(jìn)行三個(gè)月觀察發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)月內(nèi)由于受掘進(jìn)影響，巷道圍巖應(yīng)力重新分配，頂板下沉量相對(duì)較大，最大下沉量為0.12m，在第二個(gè)月內(nèi)頂板基本趨于穩(wěn)定，頂板下沉量較小，下沉量為0.05m，第三個(gè)月內(nèi)頂板巖體應(yīng)力得到平衡，下沉量為0。

4 結(jié)束語(yǔ)

晉城宏圣建筑工程有限公司常店項(xiàng)目部通過(guò)技術(shù)研究，對(duì)寺河煤礦東回風(fēng)大巷過(guò)斷層破碎帶期間，對(duì)破碎頂板采取“注漿+撞楔超前加長(zhǎng)錨桿支護(hù)+架設(shè)π型鋼棚”等聯(lián)合維護(hù)措施，實(shí)際應(yīng)用效果表明，采取聯(lián)合措施后大大提高了破碎頂板穩(wěn)定性，避免了頂板冒落事故發(fā)生，提高了巷道過(guò)斷層期間掘進(jìn)效率，取得了顯著成效。