掘進(jìn)巷道過(guò)斷層破碎帶圍巖控制技術(shù)

管幫軍

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦，山西 孝義 032300）

1 概述

汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦31115材料巷北鄰31117工作面（未采），南鄰31113工作面（未采），西部為井田西部邊界，東為三采區(qū)大巷保護(hù)煤柱。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2345m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.0×3.0m，巷道為矩形斷面，該巷道主要用于工作面掘進(jìn)和回采時(shí)期設(shè)備材料的進(jìn)出、行人和回采時(shí)進(jìn)風(fēng)。

31115材料巷掘進(jìn)煤層為太原組9-10-11#煤，煤層平均厚度為7.58m，煤層起伏不大，煤層傾角3～6°，平均5°左右，屬緩傾斜煤層。施工巷道沿11#煤層頂板平行掘進(jìn)。11#煤層無(wú)偽頂，直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為0.6m，基本頂主要以K2石灰?guī)r為主，平均厚度為9.1m。31115材料巷采用機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝。根據(jù)三維地震探測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)期間地質(zhì)條件變化大，將揭露5個(gè)陷落柱，且陷落柱附近常有伴生斷層。其中340～420段位于斷層群帶，預(yù)計(jì)共計(jì)揭露11條斷層，其中正斷層4條，逆斷層7條，斷層最大落差為1.2m，平均落差為0.6m。31115材料巷初步支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨桿、錨索、金屬菱形網(wǎng)、W鋼帶聯(lián)合支護(hù)，頂板每排布置5根錨桿，并采用長(zhǎng)度為4.8m“W”型鋼帶與頂板預(yù)緊，錨桿長(zhǎng)度為2.2m，錨桿間距×排距=1.1×1.0m；頂板錨索長(zhǎng)度為6.3m，每排布置三根，錨索間距×排距=1.8×3.0m。

材料巷掘進(jìn)至340m后，受地質(zhì)構(gòu)造影響，巷道頂板出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，隨著巷道延伸，圍巖破壞現(xiàn)象加劇。當(dāng)巷道掘進(jìn)至360m處時(shí)頂板出現(xiàn)局部冒落現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)速度降低至2.7m/d，不僅制約著工程巷道安全高效施工，而且威脅著施工安全。

2 巷道圍巖聯(lián)合控制措施

為了提高巷道掘進(jìn)效率，保證巷道施工安全，決定對(duì)斷層群帶圍巖采取“注漿+錨棚+桁架錨索”聯(lián)合控制措施。

2.1 注漿支護(hù)

（1）現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)31115材料巷受構(gòu)造應(yīng)力影響，巷道頂板及頂板往下1.5m范圍內(nèi)巷幫破碎嚴(yán)重，所以決定對(duì)巷幫及頂板施工注漿鉆孔進(jìn)行注漿施工。

（2）巷幫鉆孔施工在距頂板1.0m，鉆孔深度為3.0m，直徑為40mm，鉆孔與巷幫垂直夾角為30°，水平夾角為45°，巷幫各施工一個(gè)注漿鉆孔。

（3）頂板鉆孔共計(jì)施工一排，共計(jì)4個(gè)，鉆孔施工在距頂板1.5m煤壁處，鉆孔間距為1.2m，鉆孔深度為5.0m，鉆孔與頂板成45°仰角布置。

（4）頂板及巷幫注漿鉆孔施工完后，向鉆孔內(nèi)依次埋入直徑為20mm鋼管，鋼管另一端與氣動(dòng)注漿泵連接，注漿液選用聚氨酯粘合劑。該化學(xué)材料具有滲透能力強(qiáng)、凝固時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，注漿壓力為1.1MPa。

（5）為了保證圍巖不穩(wěn)定巖體能夠與穩(wěn)定巖體完全膠結(jié)，注漿2h后巷道方可繼續(xù)掘進(jìn)。巷道每掘進(jìn)5.0m對(duì)巷幫及頂板進(jìn)行一次注漿支護(hù)。

2.2 桁架錨索支護(hù)

為了削弱頂板集中應(yīng)力破壞作用，防止頂板離層現(xiàn)象，決定對(duì)頂板施工縱橫交錯(cuò)式桁架錨索支護(hù)。

（1）桁架錨索支護(hù)主要由兩根長(zhǎng)度為5.0m、直徑為21.6mm恒阻錨索，兩根長(zhǎng)度為1.2m、直徑為20mm圓鋼托架，一個(gè)雙向張拉器等部分組成。

（2）首先在距巷幫1.5m處各施工兩根錨索，錨索橫向布置，錨索間排距為1.8m，同一組兩根錨索與頂板夾角為75°。恒組錨索施工完后，在錨索外露端安裝圓鋼托架，并采用鎖具進(jìn)行預(yù)緊，采用張拉器對(duì)兩根圓鋼托架進(jìn)行拉緊。

（3）第一組桁架錨索支護(hù)施工后施工第二架桁架錨索支護(hù)，第二組桁架支護(hù)縱向布置，錨索間排距為2.0m，施工工藝與第一組相同。第三組桁架錨索支護(hù)布置方式、施工工藝與第一組相同，如圖1所示，依次類(lèi)推，直至巷道完全過(guò)斷層群。

2.3 錨棚支護(hù)

為了提高傳統(tǒng)永久錨桿、錨索支護(hù)強(qiáng)度，彌補(bǔ)單一鋼棚被動(dòng)支護(hù)不足，決定對(duì)材料巷圍巖破壞區(qū)采取錨棚支護(hù)。

（1）錨棚支護(hù)主要對(duì)巷道圍巖采取鋼棚、錨索聯(lián)合支護(hù)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)與被動(dòng)支護(hù)聯(lián)合作用，提高圍巖穩(wěn)定性目的。錨棚支護(hù)主要由槽鋼棚腿、工字鋼頂梁、錨索、連接梁等部分組成，頂梁上焊制三個(gè)圓孔，圓孔直徑為30mm，圓孔間距為1.8m，連接梁主要由一根長(zhǎng)度為2.2m、寬度為0.30m“BHW”型鋼帶切割而成，梁兩端焊制兩個(gè)圓孔。

（2）為了避免巷道開(kāi)挖后塑性變形對(duì)錨棚影響，錨棚支護(hù)應(yīng)滯后工作面5.0m施工。錨棚施工在頂板相鄰兩根W型鋼帶中間，錨棚支護(hù)間距為1.0m，錨棚為矩形斷面，斷面規(guī)格與巷道斷面規(guī)格相同。

（3）首先在頂板施工三根錨索，錨索長(zhǎng)度為6.3m，直徑為17.8mm，錨索外露長(zhǎng)度為0.25m。每次施工兩排錨索，錨索間距為1.8m，排距為2.0m。錨索施工完后在錨索下方依次安裝連接梁及工字鋼頂梁，頂梁安裝在同一排錨索下方，連接梁共計(jì)三根，安裝在相鄰兩排錨索之間，安裝后采用鎖具將頂梁與頂板進(jìn)行預(yù)緊。

（4）棚梁安裝后在巷道底板處安裝底座，底座必須與穩(wěn)定平整底板安裝牢固。底座安裝后安裝棚腿，棚腿槽鋼平面與巷幫面接觸嚴(yán)實(shí)，頂梁與棚腿之間采用卡纜進(jìn)行固定。鋼棚安裝后若發(fā)現(xiàn)棚腿、頂梁與巷道圍巖未完全接觸，存在間隙時(shí)，應(yīng)采用水泥背板進(jìn)行填塞。

圖1 31115材料巷斷層帶應(yīng)力區(qū)聯(lián)合支護(hù)斷面示意圖

3 應(yīng)用效果

（1）采用注漿支護(hù)后改變圍巖物理性質(zhì)，使其單軸抗壓強(qiáng)度由原來(lái)的21MPa提高至57MPa，提高了圍巖膠結(jié)穩(wěn)定性及承載能力，使幫、頂注漿巖體之間形成穩(wěn)定的支撐梁，有效提高了破碎圍巖支護(hù)作用。

（2）桁架支護(hù)具有施工工藝簡(jiǎn)單、支護(hù)效果好、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，該支護(hù)產(chǎn)生的主動(dòng)支撐作用力，能夠在一定程度上削弱頂板垂直應(yīng)力破壞作用，從而提高頂板承載上限，防止頂板下沉、離層現(xiàn)象。

（3）錨棚支護(hù)解決了單一鋼棚支護(hù)時(shí)支撐作用力低、鋼棚破壞變形現(xiàn)象嚴(yán)重等技術(shù)難題。在頂板破壞作用小時(shí)，錨棚以主動(dòng)支護(hù)形式實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板進(jìn)行主動(dòng)支護(hù)；當(dāng)頂板破壞作用大時(shí)，錨棚以主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的方式對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)，提高了支護(hù)強(qiáng)度，防止了頂板冒落現(xiàn)象。

（4）通過(guò)實(shí)際觀察發(fā)現(xiàn)，31115材料巷圍巖采取聯(lián)合控制措施后，在后期掘進(jìn)過(guò)程中，頂板未出現(xiàn)嚴(yán)重破碎、冒落現(xiàn)象，頂?shù)装遄畲笠平靠刂圃?.21m以下，巷幫片幫現(xiàn)象得到有效控制，巷道有效斷面為設(shè)計(jì)斷面的95%以上，控制了圍巖變形現(xiàn)象。