破碎頂板條件下長(zhǎng)管棚綜合支護(hù)加固技術(shù)應(yīng)用

秦慶舉 張乾龍 李連剛

（陜西金源招賢礦業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721000）

煤礦井下巷道處于頂板淋水、巖性不好等極端不利條件時(shí)，常規(guī)的管縫錨桿、普通撞楔等超前支護(hù)可能起不到應(yīng)有護(hù)頂作用，錨桿（索）則因?yàn)轫敯咫y以成孔、錨固達(dá)不到設(shè)計(jì)值失去作用。一旦U型棚無(wú)法有效實(shí)施，將對(duì)安全形成極大威脅。管棚支護(hù)技術(shù)在處理井巷冒頂及過(guò)破碎頂板條件施工過(guò)程中效果較好[1]，尤其在隧道塌方治理中得到成功應(yīng)用。因此，結(jié)合煤巷井下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，研究出一套綜合治理方案，對(duì)極破碎頂板條件下的巷道施工至關(guān)重要。

1 工程及地質(zhì)概況

招賢煤礦1305工作面為礦井一采區(qū)第三個(gè)工作面，位于一采區(qū)東翼。該面東至一、三采區(qū)大巷保護(hù)煤柱線，西至三條開拓大巷（北翼帶式輸送機(jī)大巷、北翼輔助運(yùn)輸大巷、北翼回風(fēng)大巷），北至設(shè)計(jì)的1303工作面風(fēng)巷，南至1307工作面采空區(qū)。工作面內(nèi)3煤層平均厚度12.5m。1305工作面機(jī)巷施工至1200m時(shí)揭露DF14斷層及多個(gè)次生小斷層，如圖1所示。經(jīng)探查DF14斷層落差19.4m，呈WE走向，傾角70～75°，傾向48°。斷層上盤為粉砂巖，斷層面有斷層泥，寬度為0.1～0.5m，斷層面淋水，最大涌水量5m3/h。該斷層向1305工作面內(nèi)延展約180m，向鄰近的1303工作面方向延展約160m。

1305 機(jī)巷掘進(jìn)期間受地質(zhì)構(gòu)造影響，在距離DF14斷層面15m左右時(shí)，開始出現(xiàn)頂板破碎、片幫、錨索孔淋水、錨索預(yù)緊力達(dá)不到設(shè)計(jì)值、礦壓顯現(xiàn)明顯等現(xiàn)象。針對(duì)異常情況，決定自巷道1190m處開始采取以下措施：對(duì)巷道頂板及幫部采取錨索加固；對(duì)成孔困難、錨索預(yù)緊力達(dá)不到設(shè)計(jì)值的區(qū)域注漿；架設(shè)U29型棚（頂板冒落前已施工6棚）配合超前撞楔施工。然而臨近斷層面，巷道淋水量增大至約5m3/h，巷道左幫肩窩上方順斷層面流下泥水混合物（水、泥巖、細(xì)粒狀煤），很快在左幫肩窩上方冒落成5m高的圓柱體空洞，冒落體積約95m3。超前撞楔壓彎變形，迎頭第7棚U29型棚被壓垮，頂板下沉超過(guò)2m，人員無(wú)法進(jìn)入。

圖1 1305機(jī)巷揭露DF14斷層示意圖

2 長(zhǎng)管棚綜合支護(hù)加固技術(shù)

基于對(duì)斷層產(chǎn)狀的分析以及頂板破碎原因的判斷，借鑒隧道塌方[2-3]、井巷冒頂治理經(jīng)驗(yàn)，提出了用長(zhǎng)管棚超前支護(hù)聯(lián)合U29型鋼支架法支護(hù)，并采取導(dǎo)水孔引流、巷道圍巖預(yù)注漿等措施，制定了“精導(dǎo)水、嚴(yán)注漿、管超前、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤觀測(cè)[4]”方案，安全通過(guò)該地質(zhì)構(gòu)造帶。

2.1 導(dǎo)水孔引流

斷層面空洞形成的主要原因是破碎的頂板隨著水形成泥水混合物傾瀉而下，封堵很困難，因此第一步是將水進(jìn)行引流，同時(shí)查明前方水文地質(zhì)情況。

自擋墻退后3m在巷道左幫施工泄水鉆孔一個(gè)，鉆場(chǎng)尺寸：寬×高×深=3.5×3.5×5.5m。鉆場(chǎng)內(nèi)共設(shè)計(jì)12個(gè)鉆孔進(jìn)行超前探查，并兼做放水孔，如圖2所示。超前探查孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖2 1305機(jī)巷導(dǎo)水孔設(shè)計(jì)圖

表1 1305機(jī)巷超前探查鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

鉆場(chǎng)內(nèi)泄水孔自施工后持續(xù)出水，通過(guò)對(duì)鉆場(chǎng)內(nèi)泄水孔以及巷道迎頭預(yù)埋管出水量的觀測(cè)，水量從5m3/h降至1m3/h，并趨于穩(wěn)定。

2.2 巷道圍巖注漿

采用“兩段上行式”注漿法對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加固，使之形成一層堅(jiān)硬的假頂，對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行封堵，控制巷道頂板淋水。注漿采用“充填注漿”和“擠密注漿”?！俺涮钭{”，即對(duì)巷道前方以及上方冒落空間大空洞、大孔隙進(jìn)行回填，改善圍巖穩(wěn)定性；“擠密注漿”，向上對(duì)冒落空間周邊圍巖注入較高壓力的漿液，加固圍巖。

2.2.1 充填注漿

自巷道迎頭退后5m施工2道擋墻，擋墻間距0.5m，擋墻采用軌道配合杠桿扎設(shè)骨架，里外口鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，在兩道擋墻中間垛袋充填，并預(yù)留3根Ф108mm的排水管。注漿前對(duì)擋墻后5m范圍內(nèi)的巷道進(jìn)行全段面噴漿，噴漿厚度150mm。采用CMS4000鉆機(jī)向迎頭及頂板空洞方向施工注漿鉆孔，下注漿管，參數(shù)見表2。注漿材料為XKT161型膨脹水泥（膨脹系數(shù)5～8倍，反應(yīng)速度快，混合的漿液通常在2h左右就可失去流動(dòng)性），累計(jì)注入量10t。待水泥凝固后，將巷道部分啟封驗(yàn)證注漿效果。經(jīng)探查，巷道前方已填充滿雪花狀的膨脹體。

2.2.2 擠密注漿

向冒落空間以及巷道輪廓線按照1m間距均勻布置注漿孔，注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿與水玻璃體積比1:0.5，水泥漿水灰比1:1。注漿結(jié)束后，通過(guò)錨桿鉆機(jī)施工Φ32mm鉆孔驗(yàn)證圍巖上方存在約2m厚的硬頂，且淋水量降至1m3/h，并趨于穩(wěn)定。

表2 1305機(jī)巷注漿參數(shù)表

2.3 長(zhǎng)管棚聯(lián)合U29型鋼支架支護(hù)技術(shù)

注漿使圍巖形成2m厚的再生頂板，但無(wú)法承重，且錨桿（索）無(wú)法生根，為防止頂板再次冒落，采用長(zhǎng)管棚作為超前臨時(shí)支護(hù)。長(zhǎng)管棚以廢舊鉆桿作為支護(hù)材料，沿巷道頂板輪廓線均勻布置，是防止掘進(jìn)破碎段冒頂?shù)囊环N巷道超前支護(hù)方式[5]。

2.3.1 長(zhǎng)管棚鉆孔參數(shù)

鉆孔直徑：開孔直徑（鉆頭）為Ф133mm。

鉆桿參數(shù)：采用Ф73mm鉆桿，管壁厚度9.19mm，鉆桿長(zhǎng)度1m。

鉆孔深度：鉆孔的深度為20m。

鉆孔起點(diǎn)、落點(diǎn)及傾角如圖3所示。

2.3.2 管棚支護(hù)的施工過(guò)程

（1）采用CMS4000鉆機(jī)沿巷道頂板及肩窩輪廓線向迎頭施工超前鉆桿，打設(shè)長(zhǎng)度18m（每節(jié)2m），+3°角度施工，鉆桿間距300mm，鉆孔壓茬不超過(guò)5m。

（2）鉆桿施工完成，在巷道頂板形成一個(gè)完整的具有一定強(qiáng)度的管棚支護(hù)整體后，在巷道迎頭用工字鋼配合單體進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。棚間距不超過(guò)500mm，工字鋼規(guī)格為L(zhǎng)=4.5m，單體型號(hào)為DW4.2型。

（3）臨時(shí)支護(hù)架設(shè)3棚后，待巷道穩(wěn)定，從后至迎頭方向開始架設(shè)U29型棚，并及時(shí)采用錨索配合工字鋼加固。

（4）U29型棚架設(shè)完畢后，掛鋼筋網(wǎng)、噴漿，混凝土強(qiáng)度不低于C20。噴射混凝土以后，對(duì)巷道進(jìn)行注漿（水泥漿）加固。

2.3.3 U29型棚聯(lián)合錨索支護(hù)參數(shù)

U29規(guī) 格： 凈 寬（ 腰 扎）×凈 高=5500mm×4000mm，棚間距600mm（中-中），采用水泥背板背頂，每棚4根拉桿，拱部拉桿距限位塊100mm，交錯(cuò)成一直線，棚梁、腿搭接長(zhǎng)度為500mm，卡纜間距400mm，采用專用U型卡子固定，U型卡子為Ф=22mm的圓鋼，螺帽扭矩為200 Nm，棚子架設(shè)后及時(shí)采用錨索配合工字鋼加固。如圖4所示。

圖3 長(zhǎng)管棚布置示意圖

為監(jiān)測(cè)應(yīng)用效果，每隔20m布置一個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，每7d觀測(cè)一次。跟蹤監(jiān)測(cè)60d，巷道頂?shù)装謇塾?jì)變形210mm（主要變形特征為底鼓），幫部累計(jì)變形100mm。圍巖累計(jì)變形量小，說(shuō)明U29型棚與錨索聯(lián)合支護(hù)下，巷道圍巖的變形得到有效控制。

2.4 防滅火注漿

因DF14斷層面前后圍巖破碎且深部仍然存在空洞、大孔隙，為防止巷道頂煤自燃，保證安全生產(chǎn)，決定向架棚段頂板壓注凝膠進(jìn)行降溫堵漏。利用氣動(dòng)泵（2ZBQ-20/4）將形成化學(xué)凝膠的兩種無(wú)機(jī)物（水玻璃+碳酸氫鈉）水溶液經(jīng)各自的管路輸送到管路末端附近的混合器，混合后進(jìn)入泵體，通過(guò)氣動(dòng)泵的壓力將混合液壓送進(jìn)入破碎煤體中。動(dòng)力風(fēng)源不低于0.7MPa，注漿泵經(jīng)氣源三聯(lián)件減壓閥后的調(diào)節(jié)壓力上限為0.63MPa。凝膠注入完畢后，建立測(cè)溫觀測(cè)臺(tái)賬，每天專人觀測(cè)1次，定期分析數(shù)據(jù)，確保無(wú)高溫異常點(diǎn)。

圖4 U29型棚聯(lián)合錨索支護(hù)圖

3 結(jié)論

1305 工作面機(jī)巷掘進(jìn)穿過(guò)頂板破碎段時(shí)，分析頂板淋水原因以及出水點(diǎn)位置，施工導(dǎo)流泄水孔，將水量由5m3/h降至1m3/h；對(duì)圍巖采用“兩段上行式”注漿法，在圍巖淺部形成了2m厚的人工再生假頂，增加了圍巖的穩(wěn)定性；采用長(zhǎng)管棚作為超前護(hù)頂聯(lián)合U29型棚支護(hù)，且采用短掘短支工藝。安全高效地通過(guò)了斷層破碎帶，保障了安全生產(chǎn)。