主斜井施工過老空區(qū)時(shí)的支護(hù)設(shè)計(jì)

楊小明

（山西蒲縣蛤蟆溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

1 工程概況

山西蒲縣蛤蟆溝煤業(yè)有限公司是兼并重組整合單獨(dú)保留礦井，井田面積1.816 1 km2，批準(zhǔn)開采2-11#煤層，一斜兩立方式延深開采下組煤層，即新建主斜井、回風(fēng)立井、延深副立井。設(shè)計(jì)主斜井井筒斜長980 m，坡度16°，巷道凈寬5.1 m，凈高3.65 m，凈斷面積15.82 m2。依據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，井筒自表土層施工將依次揭露和穿過2#、3#、7#、8#、9#、10#含煤地層，并落底于11#煤層底板。在井筒掘進(jìn)至535 m 時(shí)，可以基本確定前方32 m 將揭露礦井2#煤層20112 回采工作面采空區(qū)，斜井井筒穿過采空區(qū)斜長段約50 m。

2 施工環(huán)境分析

2#煤層20112 回采工作面回采時(shí)間為2008 年，采用近水平走向長壁式開采，回采區(qū)域內(nèi)無斷層、陷落柱等不良地質(zhì)構(gòu)造，全部垮落法管理頂板，平均采高2.5 m。偽頂為灰黑色粉砂質(zhì)層狀泥巖，平均厚度0.7 m；直接頂為灰黑色層狀砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.8 m；基本頂為灰白色層狀中粒砂巖，平均厚度8.54 m；直接底為灰色細(xì)粒砂巖，平均厚度6.35 m。依據(jù)以往采空區(qū)頂板垮落觀察記錄，采空區(qū)頂板冒落較好，采空區(qū)三帶高度大致為：垮落帶7.5 m 左右，裂隙帶14.5 m 左右，彎曲下沉帶45 m 左右。2#煤層由于采空時(shí)間久，偽頂、直接頂巖層垮落破碎后基本上可充滿采空區(qū)至裂隙帶以下范圍，基本頂下沉斷裂形成較穩(wěn)定的鉸接梁狀態(tài)。

主斜井與采空區(qū)剖面位置關(guān)系如圖1。

圖1 主斜井與采空區(qū)剖面位置關(guān)系示意圖

3 支護(hù)方案

方案確定原則：安全可靠，即支護(hù)強(qiáng)度、密度等指標(biāo)既能保證掘進(jìn)施工安全，又能保證永久支護(hù)需要；經(jīng)濟(jì)合理，即支護(hù)方式能獨(dú)立發(fā)揮作用，又能形成整體加固，材料采購就地取材，降低成本；便于施工，即掘進(jìn)、支護(hù)工序之間的相互干擾導(dǎo)致的工期延長損失降低到最小，同時(shí)也便于操作，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。為此，根據(jù)主斜井井筒穿過采空區(qū)的斜長、采空區(qū)的不穩(wěn)定程度，按照加固、充填作用等不同的支護(hù)目標(biāo)，沿主斜井掘進(jìn)方向和長度共劃分為5 段不同的支護(hù)設(shè)計(jì)區(qū)段，其中3 段、4段為重點(diǎn)支護(hù)區(qū)（劃分方案見圖1）。

針對(duì)2#煤層采空區(qū)三帶分布情況，結(jié)合主斜井掘進(jìn)方位、斷面形狀、尺寸及實(shí)際鉆探預(yù)測和驗(yàn)證結(jié)果等綜合因素，為保證主斜井井筒施工安全和使用年限，就井筒穿過采空區(qū)期間的支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了綜合比較和分析，最終決定采用注漿+U 型鋼+噴漿混合支護(hù)的方法通過采空區(qū)。

3.1 1 段加固區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)

該段巷道工作面揭露的頂、底板以2#煤層基本頂為主，圍巖較穩(wěn)定，支護(hù)設(shè)計(jì)以錨網(wǎng)噴+鋼帶+U 型鋼聯(lián)合支護(hù)不小于5 m 的超前加固支護(hù)為主，Ф22 mm×2000 mm 螺紋鋼錨桿加長錨固，間排距800 mm×800 mm，U 型鋼采用29U 型加工制作，排距800 mm，迎山角5°，支護(hù)長度10 m。U 型鋼加工示意圖如圖2。

3.2 2 段加固區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)

該段巷道工作面揭露的圍巖以2#煤層基本頂下層為主，段末底板將漸次揭露2#煤層冒落充填帶，支護(hù)設(shè)計(jì)以加強(qiáng)頂板及兩幫支護(hù)為重點(diǎn)，同時(shí)超前對(duì)底板注漿加固，支護(hù)方式為錨網(wǎng)噴+鋼帶+U 型鋼棚+底板注漿，支護(hù)長度10 m。注漿鉆孔設(shè)計(jì)采用豎直鉆進(jìn)，孔間、排距500 mm，鉆孔終孔深度3000 m，終孔漿液擴(kuò)散半徑≤600 mm，漿液為C-S型。為獲得較好的結(jié)石體抗壓強(qiáng)度，C 與S 的體積比按照C=0.6:1(水灰比)、S=40Be′（水玻璃濃度）凝膠時(shí)間在5 min 之內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 3 段加固區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)

該段巷道工作面揭露的巖層以2#煤層基本頂下層與2#煤層采空區(qū)冒落充填帶為主，支護(hù)設(shè)計(jì)為錨網(wǎng)索+鋼帶+U 型棚加固拱，同時(shí)對(duì)工作面正前方及底板超前注漿加固，支護(hù)長度12 m。注漿孔采用平行巷道直孔布置，且靠近巷道荒斷面的輪廓線，鉆孔深度2500 mm，孔間距500 mm，保持終孔擴(kuò)散半徑≯600 mm。考慮到充填帶充填空間較大，漿液調(diào)整為CL-C 型粘土水泥漿，以粘土為主要原料（粘土在本地區(qū)可就地取材，且成本低），加入100 kg/m3的425#水泥和20 L/m3的鈉質(zhì)水玻璃進(jìn)行配置。錨網(wǎng)索+鋼帶+U 型棚及底板注漿孔設(shè)計(jì)同1 段、2 段支護(hù)設(shè)計(jì)，直孔開孔設(shè)計(jì)如圖3。

圖2 U 型鋼加工示意圖

圖3 3 段加固區(qū)注漿鉆孔布置示意圖

3.4 4 段加固區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)

該段巷道掘進(jìn)完全進(jìn)入2#煤采空區(qū)冒落帶，支護(hù)對(duì)象主要是2#煤層采空區(qū)充填的大塊松散巖體和壓密帶內(nèi)較密實(shí)的小塊巖體。支護(hù)設(shè)計(jì)采用超前對(duì)冒落帶注漿充填、加固，U 型鋼棚架加密支護(hù)（棚距調(diào)整為600 mm）跟進(jìn)，縮小循環(huán)進(jìn)度為600 mm，支護(hù)長度27 m 左右。注漿孔呈放射狀布置，鉆孔深度2000 mm，孔間距500 mm，保證終孔超出巷道輪廓線500 mm，擴(kuò)散半徑≯1200 mm，漿液仍以CL-C 型粘土水泥漿為主。為提高充填區(qū)的塑性強(qiáng)度，425#水泥的摻入量調(diào)整為125 kg/m3，鈉質(zhì)水玻璃的摻入量調(diào)整為30 L/m3進(jìn)行配置。注漿孔布置如圖4。

3.5 5 段加固區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)

該段巷道掘進(jìn)底板將逐漸進(jìn)入原始、完整的砂巖層，頂、幫仍以2#煤層采空冒落的密實(shí)帶為主。因此，支護(hù)對(duì)象以頂、幫為主，支護(hù)設(shè)計(jì)采用超前注漿加固，U 型鋼棚加密支護(hù)跟進(jìn)的方式，小循環(huán)進(jìn)度掘進(jìn)，支護(hù)長度1 m 左右。注漿孔呈扇形布置，鉆孔深度3000 mm，孔間距500 mm，保證終孔超出巷道輪廓線500 mm，擴(kuò)散半徑≯600 mm，漿液采用C-S 型，C/S 的體積比同2 段加固區(qū)漿液比例進(jìn)行調(diào)制。注漿孔布置如圖5。

圖4 4 段加固區(qū)注漿鉆孔布置示意圖

圖5 5 段加固區(qū)注漿鉆孔布置示意圖

3.6 6 段加固區(qū)支護(hù)設(shè)計(jì)

該段巷道工作面將進(jìn)入圍巖較穩(wěn)定區(qū)，支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)噴+鋼帶+U 型鋼聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)同1 段加固區(qū)，支護(hù)長度10 m。

4 施工組織

（1）為改善井下作業(yè)環(huán)境，降低粉塵濃度，漿液的制漿工作于地面井口附件臨時(shí)制漿站完成，注漿管路沿井筒敷設(shè)至工作面鐵制的儲(chǔ)漿池。

（2）注漿孔開孔直徑為110 mm，下外徑為108 mm 孔口管，注漿孔直徑為75 mm。

（3）漿液具有向上易擴(kuò)散性，注漿施工時(shí)，先鉆注巷道頂板上的注漿孔，后鉆注巷道兩側(cè)孔，最后鉆注底板鉆孔。當(dāng)多圈布孔時(shí)（如 4、5 段加固區(qū)），按上述順序，先鉆注內(nèi)圈孔，后鉆注外圈孔。

（4）鉆進(jìn)注漿孔時(shí)要輕壓、慢速、給進(jìn)均勻，少串動(dòng)鉆具，防止塌孔。

（5）隨時(shí)注意孔內(nèi)坍塌和沖洗液循環(huán)情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有超過一半的沖洗液漏失或孔內(nèi)有坍塌時(shí)，可停鉆注漿，必要時(shí)可另外打孔注漿。

（6）注漿時(shí)，應(yīng)先對(duì)2#煤采空區(qū)冒落充填帶注漿，后對(duì)壓實(shí)帶注漿。

（7）施工中的U 型棚的架設(shè)工作于初噴后進(jìn)行。

（8）掘進(jìn)工序滯后預(yù)注漿工序時(shí)間12 h 以上，以滿足漿液的充填、加固作用時(shí)間，為掘進(jìn)工序創(chuàng)造良好的圍巖條件。

5 結(jié)語

（1）主斜井井筒穿過2#煤層采空區(qū)的支護(hù)重點(diǎn)在3 段、4 段、5 段，在這3 個(gè)區(qū)段內(nèi)，主斜井井筒巷道完全進(jìn)入到2#煤層采空冒落帶，基本上沒有完整的圍巖，支護(hù)難度高。因此，井筒巷道在即將進(jìn)入這3 個(gè)區(qū)段時(shí)，應(yīng)以預(yù)注漿對(duì)采空冒落帶內(nèi)的不規(guī)則但相對(duì)穩(wěn)定的巖體（塊）以及空隙進(jìn)行充填和加固，然后再進(jìn)行其他掘進(jìn)施工。

（2）主斜井穿過采空區(qū)域采用多種聯(lián)合支護(hù)方式，綜合考慮安全、設(shè)備、材料等成本因素，具有工期相對(duì)合理（總工期95 d）、成本較低、施工安全、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，綜合治理巷道長度近90 m。采空區(qū)穿過時(shí)及穿過后的礦壓觀測及數(shù)據(jù)顯示，圍巖始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，保證了巷道的正常使用，效果較好。