斜巷穿過(guò)極復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶綜合施工技術(shù)

劉光毅

(平煤神馬建工集團(tuán)有限公司 建井三處，河南 平頂山 467000)

隨著煤炭開(kāi)采水平的逐步延深，目前平頂山礦區(qū)已進(jìn)入深部開(kāi)采階段，各種地質(zhì)災(zāi)害因素風(fēng)險(xiǎn)性增加，水害、煤與瓦斯和頂板的綜合管理成為新一階段所要面臨的安全問(wèn)題，采取一種綜合施工與聯(lián)合支護(hù)方案解決以上問(wèn)題尤為重要。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶條件下巷道的安全、快速施工方面也做了很多研究，分別提出了復(fù)合型全封閉支護(hù)技術(shù)[1]、錨噴注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)[2]、以高阻可縮性U型鋼和高強(qiáng)度錨索為主的棚索協(xié)調(diào)支護(hù)技術(shù)[3]、U型鋼壁后注漿[4]、錨架充支護(hù)技術(shù)[5]、軟巖巷道錨注耦合技術(shù)[6]等，并已應(yīng)用于工程實(shí)踐，均較好地控制了圍巖的穩(wěn)定性。平煤股份二礦-700 m高位瓦斯巷埋深達(dá)800～1 000 m，受張家逆斷層和竹園逆斷層共同作用，需要按-10°坡度斜穿復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶，原設(shè)計(jì)支護(hù)形式為錨網(wǎng)噴+錨索，已經(jīng)不足以應(yīng)對(duì)圍巖壓力[7]。經(jīng)過(guò)要素分析，工作面面臨的技術(shù)難題主要有斷層帶跨度大、圍巖極其破碎、沖擊地壓的影響、裂隙發(fā)育和煤與瓦斯突出等綜合作用，如果單一采用某種聯(lián)合支護(hù)方式，很難兼顧解決所有技術(shù)難題。經(jīng)過(guò)對(duì)技術(shù)難題和一般應(yīng)對(duì)措施的討論和分析，制定出了預(yù)注、托頂、環(huán)掘、U鋼與錨注聯(lián)合支護(hù)的綜合施工方案，安全快速完成了復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶的施工，并通過(guò)十字位移法定期檢測(cè)巷道的變形情況，結(jié)果符合要求，達(dá)到了預(yù)期目的。

1 工程概況

平煤股份二礦-700 m高位瓦斯巷設(shè)計(jì)全長(zhǎng)為2 298 m，平巷段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度100 m，-10°斜巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度446 m，剩余1 752 m為+3‰上山，巷道施工為直墻半圓拱形，凈寬5 400 mm，凈高4 100 mm，S凈=19 m2，支護(hù)形式為錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)，該工程地面標(biāo)高+150～+280 m，井下標(biāo)高-669～-740 m，埋藏深度已達(dá)到800～1 000 m。其中，-10°斜巷段穿層施工期間需要穿過(guò)異常地質(zhì)構(gòu)造帶，由于張家逆斷層和竹園逆斷層共同作用，巷道頂板的己組煤層被拉至巷道底板以下，異常地質(zhì)構(gòu)造帶形態(tài)更復(fù)雜，影響范圍更大。

2 技術(shù)方案的研究

根據(jù)巷道在穿過(guò)異常地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)會(huì)遇到的技術(shù)問(wèn)題和一般應(yīng)對(duì)措施，分析符合工程實(shí)際的有效措施(表1)，按照有效措施與實(shí)際施工工藝相結(jié)合的方法制定出一套具有針對(duì)性的巷道綜合支護(hù)技術(shù)[8]方案：采用超長(zhǎng)管棚和預(yù)注漿相結(jié)合加固巖體[9]；管縫錨桿超前支護(hù)托頂后預(yù)留中心巖體，小循環(huán)環(huán)形擴(kuò)刷掘進(jìn)；采用U型鋼與噴漿聯(lián)合支護(hù)封閉巖體；錨桿、錨索深淺部聯(lián)合壁后注漿[10]二次支護(hù)。

表1 有效措施分析Tab.1 Analysis of effective measures

3 技術(shù)方案的實(shí)施

3.1 超長(zhǎng)管棚和預(yù)注漿相結(jié)合加固巖體

采用管棚注漿法固化巷道拱部輪廓線(xiàn)外3 m巖體，增強(qiáng)異常地質(zhì)構(gòu)造帶圍巖的整體性，封堵裂隙水，加固巷道圍巖。超前鉆孔的施工還可以釋放工作面前方圍巖應(yīng)力，避免出現(xiàn)沖擊地壓[11]。

(1)管棚注漿設(shè)計(jì)參數(shù)。管棚鉆孔布置在距巷道頂板輪廓線(xiàn)以下0.5 m的弧線(xiàn)上，管棚長(zhǎng)度10 m(管棚由φ50 mm×6 000 mm無(wú)縫鋼管加工制作，在地面事先把2根無(wú)縫鋼管合為1組進(jìn)行如下加工[12]：第1根一端攻絲以便與第2根鋼管之間用直箍聯(lián)接，另一端用5 mm鐵板把管口焊死堵嚴(yán)，鋼管管體用氣割方法均勻布置20個(gè)φ18 mm出漿孔；第2根一端攻絲以便與第1根鋼管之間用直箍連接，另一端用厚5 mm鐵板把管口焊死堵嚴(yán)，鐵板上焊25 mm和20 mm接頭，分別作為進(jìn)漿孔和出氣孔)，仰角2°，共布置13根，控制巷道輪廓線(xiàn)外3 m內(nèi)煤巖體(擴(kuò)散半徑按1.5 m控制)，孔深12 m。為保證施工安全，每一輪管棚注漿完成后，預(yù)留不小于1 m管棚注漿超前距與下次注漿搭接(圖1)。注漿壓力為2.5～3.0 MPa，水泥漿液水灰比(質(zhì)量比)為1∶(0.8～1.0)，水泥漿液與水玻璃漿液的體積比為1∶0.4(當(dāng)注漿時(shí)不升壓，出現(xiàn)串孔、跑漏漿情況時(shí)，采用雙液漿進(jìn)行封堵)。管棚注漿根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況逐輪增加，直到注漿至巖石穩(wěn)定。

圖1 管棚注漿鉆孔剖面布置Fig.1 Section layout of pipe roof grouting borehole

(2)施工工藝。 按照設(shè)計(jì)位置和深度進(jìn)行布孔后鑿孔；成孔后及時(shí)安裝注漿管，并用水泥錨固劑固定；注漿管安裝完畢后，先安球型閥，再安裝四通及卸壓閥，最后連接高壓注漿管，注漿管應(yīng)與四通或球閥用鐵絲連接，防止脫扣傷人；將管路連接好以后，開(kāi)泵注壓清水，測(cè)定巷道壁的受注能力，檢查巷壁是否有漏水現(xiàn)象，如有漏水現(xiàn)象，在注漿前進(jìn)行處理；根據(jù)壓力實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行漿液配比，達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力和加固的效果，即可停止注漿。

(3)注意事項(xiàng)。在注漿過(guò)程中出現(xiàn)跑、漏漿情況，可采取糊、停、點(diǎn)注等方法處理，以減少漿液損失，達(dá)到注漿預(yù)期目的；注漿前，要認(rèn)真檢查注漿機(jī)具，保證注漿泵、混合器、孔口位置、管路及壓力表運(yùn)轉(zhuǎn)正常，使用可靠；注漿期間，司泵工要不斷檢查注漿設(shè)備及管路的完好情況，保證注漿工作順利進(jìn)行；注漿前漿液要充分?jǐn)嚢?，進(jìn)漿過(guò)程中要隨時(shí)觀察壓力表和孔口周?chē)?，?dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓或巷壁出現(xiàn)異常時(shí)，立即停泵關(guān)閥或打開(kāi)卸漿閥；因故障等原因不能連續(xù)注漿作業(yè)時(shí)，要用清水對(duì)注漿泵和注漿管路反復(fù)沖洗，防止?jié){液凝固，堵塞管路。

3.2 超前支護(hù)托頂、小循環(huán)環(huán)形擴(kuò)刷掘進(jìn)

工作面預(yù)注漿后頂板圍巖整體性得到改善，然后沿巷道輪廓線(xiàn)拱基線(xiàn)以上拱部?jī)?nèi)100 mm位置打1排φ40 mm×2 400 mm管縫式錨桿，間排距300 mm×500 mm，外扎10°，形成一個(gè)管棚支護(hù)區(qū)，對(duì)前方預(yù)掘巷道頂板進(jìn)行超前臨時(shí)支護(hù)，在臨時(shí)支護(hù)下進(jìn)行巖體擴(kuò)刷和36U型鋼支護(hù)，增加了安全施工可靠性。

在工作面中心位置底板以上1.7 m、左右各1.0 m的范圍內(nèi)預(yù)留不小于5 m長(zhǎng)的中心巖體不破壞，然后由上向下擴(kuò)刷中心巖體以外至巷道輪廓線(xiàn)的巖石，風(fēng)鎬掘進(jìn)或放震動(dòng)炮掘進(jìn)，每循環(huán)掘進(jìn)不大于0.5 m，形成環(huán)形工作面(圖2)。中心巖體可以維持工作面前方圍巖穩(wěn)定，并為架棚子提供了作業(yè)平臺(tái)，在接近煤層時(shí)也降低了煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)。中心巖體長(zhǎng)度大于7 m后(以不影響耙斗機(jī)出渣為上限)即可在擴(kuò)刷環(huán)形工作面的同時(shí)在中心巖體施工炮眼，放小炮掘進(jìn)中心巖體，中心巖體每循環(huán)掘進(jìn)不大于1 m。

3.3 U型鋼與噴漿聯(lián)合支護(hù)封閉巖體

根據(jù)巷道使用條件，縮小巷道斷面，變更為U型鋼+背板背網(wǎng)支護(hù)斷面。架設(shè)36U型鋼支架支護(hù)[13]，棚距0.5 m，U型鋼卡纜必須連接緊固，棚后剎緊背實(shí)，背板采用60 mm×40 mm×700 mm木板，間距500 mm，背網(wǎng)采用φ4 mm、網(wǎng)格60 mm×60 mm冷拔絲網(wǎng)，每道U型鋼卡纜連接處必須設(shè)拉桿與相鄰U鋼連接緊固，每個(gè)支腿用2根等強(qiáng)錨桿配合槽鋼鎖腿，增強(qiáng)U型鋼的支撐能力。對(duì)工作面5 m后的金支巷道全斷面噴漿封閉，噴射混凝土強(qiáng)度C20，厚度200 mm，分2次噴成巷，首次噴射混凝土厚度100 mm，主要是封閉圍巖，防止注漿時(shí)漿液流出；第2次噴射混凝土厚度100 mm，主要是與U型鋼聯(lián)合作用形成封閉的整體，增加抵抗能力，減少巖石風(fēng)化。

圖2 環(huán)形擴(kuò)刷掘進(jìn)斷面Fig.2 Circular expanding brush driving section

3.4 深淺部聯(lián)合壁后注漿二次支護(hù)

對(duì)噴漿封閉的巷道采用注漿錨桿與注漿錨索聯(lián)合壁后注漿二次支護(hù)(圖3)，充分利用注漿和懸吊理論的特點(diǎn)，充填并加固了巷道兩幫及頂部圍巖。

圖3 深淺部聯(lián)合注漿斷面布置Fig.3 Layout of deep and shallow joint grouting section

(1)注漿參數(shù)。深部注漿采用注漿錨索進(jìn)行壁后注漿[14]，注漿錨索為φ22 mm×7.3 m，間排距2.5 m×2.5 m；淺部注漿采用注漿錨桿進(jìn)行壁后注漿，注漿錨桿為φ25 mm×4 m，間排距1.0 m×0.5 m，深部和淺部注漿液均采用水泥漿單液。漿液配比：淺孔水灰質(zhì)量比取1∶(0.6～0.8)，深孔水灰質(zhì)量比取1∶(0.8～1.0)。注漿壓力：淺孔注漿壓力選擇1.5～2.0 MPa，深孔注漿壓力選擇2.5～3.0 MPa，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和注漿效果做相應(yīng)的調(diào)整。

(2)注漿工藝。在巷道周邊按照設(shè)計(jì)位置進(jìn)行均勻布孔，注漿孔淺孔間排距為1.0 m×0.5 m，深孔間排距為2.8 m×2.8 m，按設(shè)計(jì)深度鑿孔，施工時(shí)按5排為一輪先施工一輪淺孔，按照要求進(jìn)行注漿，然后再施工一輪淺孔，注漿完成后，再按2排為一輪施工一輪深孔并注漿，始終保持淺孔超前深孔一輪；根據(jù)注漿孔的深度安裝已準(zhǔn)備好的專(zhuān)用注漿錨桿或錨索，然后緊固并固定好注漿錨桿或錨索；注漿錨桿或錨索安裝好后，安裝球型閥，最后連接高壓注漿管；按注漿管路要求，將管路連接好以后，開(kāi)泵注清水，測(cè)定巷道壁的受注能力，檢查巷壁是否有漏水現(xiàn)象，如有漏水，在注漿前進(jìn)行處理；注漿時(shí)自下向上進(jìn)行，先注巷道底角注漿孔，依次向上進(jìn)行注漿；注漿時(shí)觀察進(jìn)漿情況，隨時(shí)調(diào)整流量、漿液濃度，達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力和加固的效果，即可停止注漿。

3.5 效果檢驗(yàn)

在深淺孔注漿后對(duì)巷道進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，位移監(jiān)測(cè)采用十字位移布點(diǎn)法(圖4)，深淺孔注漿后1、5、10 d監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖4 位移觀測(cè)十字布點(diǎn)示意Fig.4 Cross point layout of displacement observation

表2 位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistical of displacement monitoring data

通過(guò)位移檢測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，15 d內(nèi)巷道變形量符合《煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中可縮性支架支護(hù)巷道斷面規(guī)格的允許偏差[15]的規(guī)定，證明技術(shù)方案達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

平煤股份二礦-700 m高位瓦斯巷施工期間，通過(guò)采用超前支護(hù)先行、環(huán)形擴(kuò)刷短掘進(jìn)、U型鋼噴漿封閉和深淺部聯(lián)合注漿的綜合施工工藝，達(dá)到了安全快速施工的目的，取得了平均月進(jìn)度不低于55 m的良好成績(jī)，為平煤類(lèi)似埋藏較深、地壓大、構(gòu)造較多等條件下巷道的安全快速施工提供了經(jīng)驗(yàn)。