掘進(jìn)巷道通過(guò)極復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的工藝

韓立權(quán)

（大同煤礦集團(tuán)云崗礦，山西 大同 037017）

陷落柱是由于地下水長(zhǎng)期溶蝕巖溶形成溶洞，在地質(zhì)構(gòu)造力和溶洞上覆巖層重力的作用下，溶洞發(fā)生坍塌而形成。經(jīng)研究，山西省陷落柱接觸帶的煤層以及頂?shù)装逡话銦o(wú)牽連現(xiàn)象，接近3～5 m 時(shí)，巖層裂隙發(fā)育，煤層十分破碎，有時(shí)可以見(jiàn)到落差不大的小正斷層，斷層的走向與柱體相切，在陷落區(qū)的邊緣地帶有的柱內(nèi)干燥無(wú)水，因不同地區(qū)而異。

陷落柱使煤層及周圍巖石遭到破壞，造成巷道提前報(bào)廢。當(dāng)巷道直接穿過(guò)陷落柱時(shí)，給巷道的維護(hù)和頂板管理造成很大困難，同時(shí)增加了維護(hù)費(fèi)用，如果頂板使用錨桿、錨索支護(hù)，末端不能錨固在完整穩(wěn)定的巖層中，起不到支護(hù)作用；如果使用鋼梁棚支護(hù)，棚腿不能支撐在堅(jiān)硬的底板上，可能陷入底板，也起不到支護(hù)作用?；夭蓵r(shí)妨礙機(jī)械化采煤，經(jīng)常使采煤機(jī)和液壓自移掩體支架無(wú)法使用和通過(guò)。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定：探查陷落柱等垂向構(gòu)造時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用物探、鉆探兩種方法，底板方向鉆孔不得少于3 個(gè)，有異常時(shí)加密布孔。

81003-1工作面位于12-2#層410 盤(pán)區(qū)，煤層傾角2°～7°，平均4.5°，該區(qū)域煤層厚度2.5～3.5 m，平均3.0 m，局部含1-3 層厚度0.1～0.5 m 的夾石；直接頂為灰色粉砂巖，厚度在3.0～10.0 m 之間，平均5.5 m；直接底為粉細(xì)砂巖，灰白色，含少量炭質(zhì)碎屑，裂隙發(fā)育，水平層理明顯，膠結(jié)松散，易碎，厚度約2.7 m；老底為灰白色中砂巖，厚度約7 m 其中51003-3巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)69 m，規(guī)格為4.2 m×2.8 m，以方位265°由東北往西南方向掘進(jìn)；與陷落柱X36、正斷層F12相遇，斷層落差1.7 m，巷道受影響范圍約35 m（如圖1）。

圖1 81003- 1 工作面陷落柱與斷層分布圖

1 陷落柱的探查工藝和治理

通過(guò)對(duì)陷落柱進(jìn)行物探及對(duì)本區(qū)水文地質(zhì)情況的具體綜合分析研究，寒武灰?guī)r巖溶水不會(huì)對(duì)開(kāi)采造成威脅，不存在帶壓開(kāi)采。

在進(jìn)行鉆探時(shí)，采用ZQJC 系列氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)，對(duì)陷落柱的導(dǎo)含水性進(jìn)行了探查，使用一種適合鉆機(jī)的新型止水套管。

止水套管的主要結(jié)構(gòu)由是兩種不同孔徑的鋼管組成，兩種鋼管套在一起使用，外管比內(nèi)管的長(zhǎng)度短，而內(nèi)管超出的部分，用膠圈套在內(nèi)管上進(jìn)行補(bǔ)足，在外管末端與膠圈之間安裝壓圈。內(nèi)管的內(nèi)徑比鉆頭的直徑大，從而在鉆探時(shí)內(nèi)管不能阻礙鉆頭的正常工作，鉆機(jī)的鉆頭直徑為43 mm，選用擴(kuò)孔鉆頭直徑為90 mm。

內(nèi)管選擇2 寸高強(qiáng)度鋼管（內(nèi)徑50 mm，外徑60 mm），在內(nèi)管尾部制作絲扣，安裝擋圈；在距內(nèi)管前端10 cm 處焊接頂絲導(dǎo)向板并安裝兩根M24 mm×300 mm 的頂絲，頂絲導(dǎo)向板的兩端焊接止水套固定板，內(nèi)管前端焊接經(jīng)過(guò)加工的法蘭盤(pán)，焊接方式；內(nèi)管長(zhǎng)度根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》中要求設(shè)計(jì)，為了井下方便井下搬運(yùn)，每根套管長(zhǎng)度以2.5～3.0 m 為宜，每?jī)晒?jié)之間通過(guò)絲扣連接。

外管選擇3 寸高強(qiáng)度鋼管，（內(nèi)徑80 mm，外徑89 mm），外管一端焊接頂絲擋板，長(zhǎng)度比內(nèi)管短0.5 m。

頂絲導(dǎo)向板、頂絲擋板、壓圈、擋圈由15 mm 厚鋼板制成，止水套管固定板由10 mm 厚鋼板制成。

擴(kuò)孔鉆頭直徑為90 mm，使用舊鉆桿制作一個(gè)導(dǎo)向管，安裝在鉆頭前方，保證擴(kuò)孔時(shí)能準(zhǔn)確的沿著原鉆孔的方向前進(jìn)。

鉆孔經(jīng)過(guò)擴(kuò)孔后，鉆孔內(nèi)徑與外管的外徑相同，深度比內(nèi)管的長(zhǎng)度短0.3 m，將止水套管填入鉆孔內(nèi)，用錨索將內(nèi)管固定在巖（煤）體上，轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)管上的頂絲擠壓外管，通過(guò)外管的移動(dòng)，推動(dòng)壓圈，迫使膠圈（60 mm×90 mm×110 mm）變形，膠圈與鉆孔內(nèi)壁進(jìn)行充分?jǐn)D壓接觸，使鉆孔內(nèi)壁與外管外壁形成一個(gè)封閉的空間，保證鉆孔內(nèi)的水不會(huì)從外管外壁處流出。最后在內(nèi)管法蘭盤(pán)上安裝控水閥門(mén)，可以隨時(shí)有效控制鉆孔內(nèi)放水量（見(jiàn)圖2）。

圖2 止水套管結(jié)構(gòu)示意圖

《煤礦防治水細(xì)則》沿巖層探放含水層、斷層和陷落柱等含水體時(shí)，按表1 確定探水鉆孔超前距離和止水套管長(zhǎng)度。

表1 巖層中探放水鉆孔超前距和止水套管長(zhǎng)度對(duì)照表

根據(jù)《水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告》資料分析，選用長(zhǎng)度為6 m 的止水套管，鉆探的鉆孔終孔位置分布在陷落柱X36柱內(nèi)及周圍，終孔深度達(dá)到煤層底板50 m 以下，所有鉆孔均不出水，最后進(jìn)行封孔。

2 掘進(jìn)期間支護(hù)工藝

巷道掘進(jìn)支護(hù)期間，在保證傳統(tǒng)鋼梁棚支護(hù)工藝的前提下，使用一種適合鋼梁棚支護(hù)的棚腿基，墊在棚腿下端，確保棚腿不會(huì)陷入底板，并且使鋼梁棚達(dá)到由剛性支護(hù)變成柔性支護(hù)的目的。

2.1 端頭棚腿基的制作方法

端頭棚腿基每節(jié)使用兩根2 m 長(zhǎng)的11 號(hào)工字鋼并列焊接在一起。焊接之前在每根鋼梁兩端各打通兩個(gè)孔徑為20 mm 的孔，孔間距以及邊孔距鋼梁端頭的距離為10 cm，并且在距端頭520 mm 處，間隔320 mm，打通孔徑為70 mm 的孔（見(jiàn)表3）。

圖3 端頭棚腿基俯視圖與正視圖（mm）

2.2 中間棚腿基的制作方法

中間棚腿基每節(jié)使用兩根2 m 長(zhǎng)的11 號(hào)工字鋼并列焊接在一起。焊接之前在每根鋼梁兩端各打通兩個(gè)孔徑為20 mm 的孔，孔間距以及邊孔距鋼梁端頭的距離為10 cm（見(jiàn)圖4）。

圖4 中間棚腿基左視圖與俯視圖

11 號(hào)工字鋼A 的規(guī)格：110 mm×90 mm×9 mm；對(duì)應(yīng)柱帽B 的規(guī)格：160 mm×130 mm×6 mm。兩根工字鋼的寬度為180 mm，用厚度為10 mm 的鋼板焊接高度為60 mm 的柱帽槽D，E 為鋼梁、柱帽同時(shí)放入柱帽槽的示意圖，用厚度為10 mm 鋼板制作邊長(zhǎng)為60 mm 的直角角筋16 個(gè)（見(jiàn)圖5）。

圖5 組裝柱帽槽示意圖（mm）

在棚腿基的0.5 m、1.0 m 處各焊接一個(gè)柱帽槽，并且在左右兩側(cè)各焊接4 個(gè)角筋加固（見(jiàn)圖6）。

圖6 柱帽槽焊接示意圖

用厚度為10 mm 的鋼板制作基夾板，類似軌道的道夾板，規(guī)格：650 mm×70 mm，在每塊基夾板兩端各打通兩個(gè)孔徑為20 mm 的孔，孔間距以及邊孔距鋼梁端頭的距離為10 cm，每節(jié)棚腿基要配3 塊基夾板。

51003-3巷將按照原設(shè)計(jì)直接穿過(guò)陷落柱。由于陷落柱柱體被不同地層的巖煤的碎塊填充，無(wú)層序，混亂堆積。巖石棱角分明，形狀不規(guī)則，排列紊亂，大小混雜，為黏土充填黏結(jié)。

51003-3巷在距離陷落柱1 m 時(shí)，巷道底板兩側(cè)開(kāi)始使用端頭棚腿基，在棚腿基的左右兩側(cè)向底板各施工4 個(gè)鉆孔，由于沒(méi)有施工底板長(zhǎng)錨索鉆孔的器具，所以使用ZQJC 氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)。鉆孔間距320 mm，直到堅(jiān)硬巖層為止，約4 m 深，將4.3 m 長(zhǎng)的錨索錨固在鉆孔內(nèi)，在注錨索時(shí)，為了防止高速旋轉(zhuǎn)的錨索彎曲傷人，所以使用1.5 m 長(zhǎng)的鉆桿套在錨索上，鉆桿一端與錨索注眼器一同固定在鉆機(jī)上，另一端伸入到鉆孔中，通過(guò)鉆機(jī)高速旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)，錨固錨索。除去錨固長(zhǎng)度后，鉆孔剩余部分用混凝土澆灌，頂端與底板相齊。錨索外露長(zhǎng)度0.3 m，將7 環(huán)錨鏈穿過(guò)棚腿基的通孔，用鎖具將兩端的錨索與錨鏈鎖緊，形成4 組地錨（見(jiàn)圖7）。

圖7 端頭棚腿基錨固示意圖

在端頭棚腿基的前端頂板上支護(hù)一根錨索梁，巷道向前掘進(jìn)到1 m 時(shí)，支護(hù)一根鋼帶，當(dāng)掘進(jìn)到1.5 m 時(shí)，在錨索梁的兩端各支設(shè)一根單體支柱，鋼帶、鋼梁和單體支柱構(gòu)成臨時(shí)支護(hù)。巷道繼續(xù)掘進(jìn)到2 m 時(shí)，在頂板上支護(hù)第二根錨索梁，并且在巷道底板兩側(cè)鋪設(shè)第一節(jié)中間棚腿基，與端頭棚腿基之間用4 根0.3 m 短錨索和三塊基夾板連接在一起，棚腿基之間有5 cm 縫隙，每根短錨索兩端用鎖具鎖住，形成柔性連接（見(jiàn)圖8）。

圖8 棚腿基連接示意圖

在第一個(gè)柱帽槽處架設(shè)第一架鋼梁棚，巷道向前掘進(jìn)到3 m 時(shí)，在頂板上支護(hù)一根鋼帶，并且在第二個(gè)柱帽槽處架設(shè)第二架鋼梁棚，巷道向前掘進(jìn)到3.5 m 時(shí)，將第一根錨索梁下的兩根單體支柱移到第二根錨索梁下，巷道向前掘進(jìn)到4 m 時(shí)，頂板上支護(hù)第三根錨索梁，并且在巷道底板兩側(cè)鋪設(shè)第二節(jié)中間棚腿基，工序同第一節(jié)相同，以此類推，直到巷道穿過(guò)陷落柱之后，在最后一節(jié)中間棚腿基末端使用端頭棚腿基，工序與第一節(jié)端頭棚腿基相同。通過(guò)棚腿基的連接后，鋼梁棚整體有了柔性基底，允許巷道有少量變形（見(jiàn)圖9）。

圖9 鋼梁棚支護(hù)示意圖

3 效果分析

止水套管管體充分進(jìn)入巖體，起到防突水的效果，杜絕了放水時(shí)突水事件的發(fā)生；利用錨索固定，能有效防止止水套管滑落，增加現(xiàn)場(chǎng)操作人員的安全性；多節(jié)組裝而成，搬運(yùn)輕便，組裝靈活，節(jié)約運(yùn)輸時(shí)間；安裝工藝簡(jiǎn)單，操作方便，密閉性強(qiáng)，耐壓性能好。

棚腿基具有強(qiáng)度高，體積小，堅(jiān)固耐用，有可回收復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)。每組棚腿基之間使用夾板進(jìn)行柔性鏈接，這樣可使巷道整體支護(hù)剛度適宜，又具有一定柔性和可縮性，采用柔性連接后，它即允許圍巖產(chǎn)生一定量的變形移動(dòng)，以發(fā)揮圍巖的自承力。

4 結(jié)語(yǔ)

ZQJC 系列鉆機(jī)使用了配套的止水套管，操作方便，使用安全，降低成本。在鉆探和放水時(shí)，在保證人員安全的前提下，可以有效的控制放水量。

每節(jié)棚腿基架設(shè)兩架鋼梁棚，形成一節(jié)支護(hù)，每節(jié)支護(hù)之間留有空間，如此反復(fù)支設(shè)，每?jī)晒?jié)金屬棚基之間的空間是卸壓通道，使巷道整體變?yōu)橹ё尳Y(jié)合的支護(hù)方式，圍巖可向預(yù)留空間發(fā)展變形，從而減輕巷道圍巖變形對(duì)巷道支護(hù)的破壞。