嚴重沖擊地壓礦井過大型構(gòu)造區(qū)施工方法

白 楊，李晶昆

(陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

斷層是煤礦施工中常見的地質(zhì)構(gòu)造，在沖擊地壓礦井，斷層等地質(zhì)構(gòu)造通常是應力集中區(qū)[1-3]。斷層附近圍巖穩(wěn)定性差，承載能力弱，易發(fā)生沖擊地壓、頂部、水等災害，而采取何種方法通過大型構(gòu)造區(qū)的是現(xiàn)階段沖擊地壓礦井掘進施工的一大難點[4-6]。為此，以孟村礦井中央大巷過大型斷層施工方法為研究對象，采用理論分析、案例類比、現(xiàn)場觀測圍巖變形等，提出以選擇合適巷道層位為基礎，通過預注漿加固、強化卸壓、配合錨注支護和可伸縮支架配合的強化支護措施，形成完整的沖擊地壓礦井過大型構(gòu)造區(qū)的施工方法。

1 工程概況及影響因素

1.1 工程概況

地質(zhì)構(gòu)造：該井田以發(fā)育寬緩的褶曲為主，含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀變化不大，斷層局部較發(fā)育，無巖漿活動影響。①褶曲。村井田內(nèi)各褶曲都有鉆孔控制，各褶曲軸向為NE～NEE，兩翼傾角一般3°～5°，最大7°～8°；兩翼起伏幅度80～180 m。井田褶曲與煤系、煤層的沉積分布及其厚度變化關系密切。一般向斜軸部煤系、煤層較厚，背斜軸部煤系、煤層較薄。②斷層。井田內(nèi)先期開采區(qū)內(nèi)賦存有DF29大斷層及次級中小斷層，其延展長度約3 km，落差0～38 m，在一定程度影響井下開拓布置。

水文地質(zhì):礦井水文地質(zhì)類型為“復雜”型。礦井主要含水層7層，主要隔水層4層，其中對礦井生產(chǎn)影響較大的為白堊系洛河組砂巖含水層，以中-粗粒砂巖為主，與4號煤層頂板間距40～180 m。

煤層頂?shù)装?4號煤層直接頂為較易冒落的泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度多在2 m以內(nèi)，為半堅硬不穩(wěn)定頂板?；卷敒橹猩皫r、粗砂巖，為半堅硬較穩(wěn)定頂板。煤層底板以灰褐色鋁土質(zhì)泥巖為主，夾雜有薄層狀炭質(zhì)泥巖，厚度一般1.0～8.0 m。團塊狀，含黃鐵礦、菱鐵礦鮞粒及植物根系化石，遇水易膨脹，穩(wěn)定性差。

沖擊地壓:2014年，經(jīng)沖擊傾向性鑒定，4號煤層屬Ⅲ類，具有強沖擊傾向性的煤層，頂板巖層屬Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性的頂板巖層，底板巖層屬Ⅰ類，無沖擊傾向性的底板巖層。2019年，4號煤層沖擊危險性評價結(jié)果為具有強沖擊危險性的煤層，礦井為嚴重沖擊地壓礦井。

1.2 大型構(gòu)造區(qū)影響因素分析

沖擊地壓:孟村煤礦中央大巷布置在4號煤層中(嚴重沖擊地壓煤層)，通過對中央大巷附近的微震活動進行分析，得出中央大巷的穩(wěn)定性主要受地質(zhì)構(gòu)造、采掘擾動影響較大。因此，在沖擊危險評價及治理過程中，地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域及采掘擾動(尤其是中央大巷本身的掘進擾動)影響區(qū)域應被視為治理重點區(qū)域[7-9]。中央大巷沖擊危險的主要影響因素為煤巖沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造、地應力大小和方向、底煤厚度。礦井委托資質(zhì)機構(gòu)對中央大巷進行了沖擊地壓安全性論證，考慮受到地質(zhì)條件、開采技術(shù)、經(jīng)濟條件等因素的限制，中央大巷不具備重新布置條件，礦井在嚴格按照《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細則》等相關規(guī)定執(zhí)行，同時在確保中央大巷沖擊地壓監(jiān)測、防治解危措施落實到位的基礎上，中央大巷具備安全掘進及進一步使用的條件。

水害:當巷道穿越斷層期間，預計巷道正常涌水量為10～15 m3/h。若巷道內(nèi)部圍巖裂隙將二次發(fā)育并重新分布，不排除斷層導通煤層頂板直接含水層的可能性，以煤層上覆延安組、直羅組砂巖裂隙含水層和洛河組砂巖含水層為主，涌水量可能會急劇增大，預計涌水量達300 m3/h以上。

頂板災害：在井下巷道掘進過程中，在中央大巷及首采工作面均揭露三維地震勘探的DF29斷層，斷距為15～40 m。在斷層揭露期間均出現(xiàn)不同程度的頂板破碎、頂板淋水、漏頂及原油滲漏現(xiàn)象，對巷道正常施工造成較大的影響[10-12]。

底鼓影響：由于煤層底板以鋁土質(zhì)泥巖為主，遇水易膨脹，穩(wěn)定性差。施工期間和完成后，需嚴格落實控水防鼓措施。

2 施工案例

2.1 案例一

案例一為中央二號輔運大巷，直墻半圓拱斷面，掘進斷面積23.2 m2。

巷道層位布置：DF29斷層為正斷層，掘進工作面位于斷層上盤，為減少巷道坡度對掘進及后續(xù)礦井生產(chǎn)的影響，中央二號輔運大巷過斷層期間采取最大坡度不大于6°的方案施工，通過斷層后，先進入對盤的底板(鋁質(zhì)泥巖)，之后再進入煤層中。

深孔預注漿加固措施:根據(jù)地質(zhì)超前探測情況，結(jié)合礦井其它巷道揭露斷層情況，預計過斷層期間易出現(xiàn)煤體破碎、層理交錯等現(xiàn)象，綜合考慮災害預防、治理因素，在掘進前首先采取預注漿加固措施，預注漿采用徑向斜孔布孔方式，自巷中向周邊均勻布置，孔口距巷道掘進輪廓線300 mm，鉆孔沿巷道方向布置，孔深70 m，孔口管采用φ108 mm鋼管制作，每根長度6 m；注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。

卸壓防沖措施:根據(jù)“預測預報、逢掘必卸、不卸不掘、強支強卸”沖擊地壓防治原則，在掘進時采用大直徑鉆孔卸壓方案。

支護方案:嚴格執(zhí)行“短掘短支”措施，循環(huán)進尺0.7 m，首先采用錨網(wǎng)索進行臨時支護并初噴，錨桿規(guī)格采用φ22 mm×2 500 mm，間排距700 mm×700 mm，托盤規(guī)格采用150 mm×150 mm×10 mm，網(wǎng)片采用Φ6鋼筋網(wǎng)；錨索采用φ21.8 mm×7 100 mm，間排距1 200 mm×1 400 mm，“五五”布置，托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強碟形托盤，臨時支護后初噴50 mm；之后采用29U可伸縮性支架進行加固，棚間距700 mm，相鄰兩棚之間采用三道防倒器進行鏈接，棚腿底部焊接底座，底座采用Q235鋼板，規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm，架設時在巷道底板澆筑300 mm×300 mm見方的混凝土棚腿基礎，增加支護強度，棚頂及幫部采用道木背實，最后噴漿封閉成巷，底板采用混凝土鋪底，鋪底厚度150 mm。

2.2 案例二

案例二為中央二號回風大巷，直墻半圓拱斷面，掘進斷面積25.3 m2。

巷道層位布置：為減少后續(xù)巷道維護量，綜合考慮巷道后續(xù)用途，中央二號回風大巷過斷層期間采取最大坡度不大于10°的方案施工，預先提高巷道層位，通過斷層后，直接進入對盤煤層中。

淺孔預注漿加固措施:在掘進前首先采取淺預注漿加固措施，預注漿采用徑向斜孔布孔方式，自巷中向周邊均勻布置，孔口距巷道掘進輪廓線300 mm，鉆孔沿巷道方向布置，孔深7 m，孔口管采用φ20 mm鋼管制作，每根長度5 m，注漿循環(huán)進度為5 m；注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。

卸壓防沖措施:根據(jù)“預測預報、逢掘必卸、不卸不掘、強支強卸”沖擊地壓防治原則，在掘進時采用大直徑鉆孔卸壓方案，必要時采取局部強化卸壓措施。

支護方案:堅持“強頂固幫”原則，采取錨注支護技術(shù)，同時優(yōu)化循環(huán)進度，循環(huán)進尺1.4 m，遇頂板破碎、壓力顯現(xiàn)等情況時，嚴格執(zhí)行“短掘短支”措施，循環(huán)進尺調(diào)整為0.7 m。首先采用注漿錨網(wǎng)索進行臨時支護并初噴，錨桿規(guī)格采用φ22 mm×2 500 mm，間排距700 mm×700 mm，托盤規(guī)格采用150 mm×150 mm×10 mm，網(wǎng)片采用φ6 mm鋼筋網(wǎng)；錨索采用φ21.8 mm×7 100 mm中空注漿錨索，間排距1 200 mm×1 400 mm，“五五”布置，托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強碟形托盤，注漿材料采用高強抗縮性注漿材料，注漿加固后初噴50 mm；之后采用29U可伸縮性支架進行加固，棚間距700 mm，相鄰兩棚之間采用三道防倒器進行連接，棚腿底部焊接底座，底座采用Q235鋼板，規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm，架設時在巷道底板澆筑300 mm×300 mm見方的混凝土棚腿基礎，增加支護強度，棚頂及幫部采用道木背實，并鋪設雙層鋼筋網(wǎng)，最后噴漿封閉成巷；底板采用混凝土鋪底，鋪底厚度50 mm。

2.3 效果對比分析

2.3.1 支護效果

由于積極采取了探放水措施，兩個施工案例在掘進前采取的預注漿方案將破碎的、松散的、不連續(xù)的受力體膠結(jié)成連續(xù)的、完整的受力體，提高煤巖體圍巖的整體穩(wěn)定性，除起到堵水的作用外，對巷道圍巖也起到了連接加固的作用。在通過斷層面及掘進期間，巷道圍巖穩(wěn)定，未出現(xiàn)頂板破碎、大面積冒落現(xiàn)象；29U可伸縮性支架的使用，不僅起到加強支護強度的作用，在后續(xù)巷道使用期間對控制巷道形變也有積極效果；同時也是“強支強護”的實際應用，對巷道的抗沖擊起到了至關重要的作用。案例二采用的中空注漿錨索支護方案，采用高強抗縮性注漿材料、高注漿壓力對圍巖進行錨注加固，實現(xiàn)錨索(錨桿)全長錨固，進一步提高了巷道的穩(wěn)定性。

2.3.2 施工進度

注漿進度:案例一采用深孔注漿，注漿循環(huán)50 m，單輪注漿時間約一周(含施工鉆孔、止?jié){墻、注漿、封孔等工序)；案例二采用潛孔注漿，注漿循環(huán)5 m，單輪注漿時間為一天(含施工鉆孔、注漿、封孔等工序)。

掘進進度：案例一由煤層進入對盤底板鋁質(zhì)泥巖中；案例二由斷層下盤穿入砂巖頂板再進入對盤煤層中；泥巖和砂巖在掘進期間，對掘進截割進度影響不大。

支護進度：案例一循環(huán)進度為0.7 m，采用普通錨索，錨索排距為1.4 m；案例二循環(huán)進度為1.4 m，采用中空注漿錨索，錨索排距0.7 m。在支護進度上，案例二錨索施工數(shù)量更多，且增加了注漿步驟，雖然在循環(huán)進尺上比案例一更大，優(yōu)化集中各工序施工時間，但由于支護工序比案例一多，且循環(huán)進尺受制于圍巖揭露情況，故支護進度上較案例一更慢。

2.3.3 災害治理情況

由于兩個案例均采取了預注漿加固和大孔徑卸壓措施，同時堅持短循環(huán)，支護緊跟迎頭，過斷層期間未發(fā)生涌水、突水、沖擊地壓顯現(xiàn)和頂板事故。

2.3.4 巷道后續(xù)使用情況

頂板及兩幫移近量：通過對兩個案例中巷道的形變量、頂板離層量及沖擊地壓顯現(xiàn)次數(shù)進行觀察監(jiān)測，如圖1所示，案例二在巷道形變量、頂板離層量及抗沖擊能力方面均優(yōu)于案例一。

圖1 頂板及兩幫移近量監(jiān)測結(jié)果

巷道層位選擇及支護形式：由于案例二布置于煤層砂巖頂板，采取錨注配合可伸縮支架的支護措施，而案例一布置在鋁質(zhì)泥巖底板上，采取錨網(wǎng)索配合可伸縮支架的方案，導致在同等沖擊能量事件發(fā)生后，案例一中的巷道在抗沖擊能力方面較弱，且巷道形變量較大，特別是巷道支護薄弱的底板，在斷層影響區(qū)域底鼓量極大。

后期維護：兩個案例中的巷道在使用中，由于沖擊和巷道形變等影響，案例一巷道已難以滿足生產(chǎn)需要，雖經(jīng)過多次加固維修，但由于巷道層位布置的影響，在后續(xù)使用中仍需長期維護。案例二中的巷道雖然出現(xiàn)局部漿皮開裂、個別U型棚形變等現(xiàn)象，但是在二次加強支護后，巷道能夠滿足安全生產(chǎn)需要。

3 結(jié)論

(1)在嚴重沖擊地壓礦井過大型構(gòu)造區(qū)施工方法選擇上，通過理論分析、案例類比、現(xiàn)場觀測，采取淺孔多循環(huán)預注漿加固、強化卸壓、配合錨注配合可伸縮支架的強化支護，可保障過構(gòu)造區(qū)在掘進及后續(xù)使用期間的安全可靠。

(2)從巷道后期使用和維護難度考慮，選擇合適巷道層位，對于布置在大型構(gòu)造區(qū)、易發(fā)生沖擊破壞的巷道顯得尤為重要。

(3)在選擇巷道層位時，除考慮預計層位的沖擊傾向性，對比巖層穩(wěn)定性和物理特性也是影響施工的關鍵因素，以孟村礦井為例，過構(gòu)造區(qū)選擇頂板穩(wěn)定砂巖明顯優(yōu)于底板鋁質(zhì)泥巖。