掘進(jìn)工作面過(guò)斷層運(yùn)輸與回風(fēng)巷道支護(hù)及效果分析

許向東

(山西沁和能源集團(tuán) 九鑫煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

中國(guó)是一個(gè)煤礦大國(guó)，煤炭在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位，對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用[1-3]，隨著中國(guó)煤炭資源的大量回采，優(yōu)勢(shì)地質(zhì)條件下煤炭資源已趨于殆盡，煤炭企業(yè)不得不開采劣勢(shì)地質(zhì)條件下煤炭資源[4]，特別是當(dāng)遇到斷層時(shí)，巷道的支護(hù)效果對(duì)于煤礦安全開采具有非常重要的意義[5]。

對(duì)于工作面巷道過(guò)斷層支護(hù)問(wèn)題，眾多學(xué)者進(jìn)行了研究。趙福棟[6]采用鋪設(shè)聚氨酯纖維網(wǎng)配套JW型錨索梁以及超前支護(hù)的方法對(duì)同煤集團(tuán)鐵峰煤業(yè)增子坊煤礦5306工作面F5斷層頂板以及破碎區(qū)域進(jìn)行了處理，治理后工作面頂板破碎區(qū)域得到了有效控制，保證了工作面的安全回采；馬震[7]采用短錨索代替錨桿的全錨索支護(hù)方式對(duì)車集煤礦2614工作面斷層構(gòu)造影響巷道進(jìn)行了支護(hù)處理，數(shù)值模擬以及礦壓監(jiān)測(cè)很好的證明了全錨索支護(hù)對(duì)于斷層影響帶支護(hù)的有效性；張建超等[8]采用巷道關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面錨桿支護(hù)的圍巖控制技術(shù)對(duì)上灣煤礦中六運(yùn)輸大巷F2斷層進(jìn)行了有效處理，巷道支護(hù)有效地控制了頂?shù)装逡平?，防止冒頂事故發(fā)生，圍巖得到了有效控制；雷喜良[9]采用“錨網(wǎng)+錨索+初噴”的讓壓支護(hù)方式對(duì)陳四樓煤礦F18斷層進(jìn)行了有效支護(hù)，避免了巷道的沖洗擴(kuò)修，有效保證了巷道的正常使用，保證了工作面的安全回采。

以上學(xué)者通過(guò)新的技術(shù)支護(hù)方式對(duì)工作面過(guò)斷層頂板支護(hù)進(jìn)行了研究，有效地保護(hù)了工作面的安全回采?，F(xiàn)以山西九鑫煤礦為試驗(yàn)礦井，對(duì)其工作面運(yùn)輸和回采巷道過(guò)斷層頂板支護(hù)進(jìn)行研究，并對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。

1 工程概況

山西沁和能源集團(tuán)九鑫煤業(yè)有限公司生產(chǎn)能力0.6 Mt/a，主采2號(hào)～15號(hào)煤層，205工作面為一采區(qū)工作面，主采2號(hào)煤層，煤層厚度4.41 m，為近水平煤層。根據(jù)地質(zhì)探測(cè)結(jié)果可知，工作面運(yùn)輸和回風(fēng)巷道掘進(jìn)過(guò)程中將遇到DF5正斷層，斷層上下盤距離23～29 m，斷層面傾角65°。根據(jù)地質(zhì)鉆探情況發(fā)現(xiàn)，斷層破碎帶主要有較破碎的砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖、煤線，斷層破碎帶不含水，但由于2#煤層頂板有砂巖含水層，巷道開挖后頂板有淋水情況，淋水量3～5 m3/h。

2 運(yùn)輸和回風(fēng)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

運(yùn)輸和回風(fēng)巷道沿頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)巷道斷面為：毛斷面寬4.6 m，高3.45 m，斷面面積15.87 m2；凈寬4.5 m，凈高3.4 m，斷面面積15.3 m2。巷道支護(hù)方式采用錨桿、錨索、鋼筋梯、菱形網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸與回風(fēng)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 頂板錨桿支護(hù)

頂板采用φ20 mm×2 200 mm左旋無(wú)縱高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距為800 mm×1 000 mm，(頂板破碎時(shí)縮小間排距)，設(shè)置錨桿與垂直方向上的角度為10°，將錨桿支護(hù)的孔深設(shè)置為2 150 mm。在進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，采用錨固劑進(jìn)行加固，錨固劑采用兩種型號(hào)進(jìn)行加固，加固的深度設(shè)置為950 mm；并設(shè)置錨桿的最小錨固力大于120 kN，在進(jìn)行螺母操作時(shí)，設(shè)置其擰緊力矩大于200 N·m。

2.2 圍巖錨桿支護(hù)

煤礦巷道頂板采用φ20 mm×2 200 mm左旋無(wú)縱高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿支護(hù)，間排距為800 mm×1 000 mm，(頂板破碎時(shí)縮小間排距)，設(shè)置錨桿與垂直方向上的角度為10°，將錨桿支護(hù)的孔深設(shè)置為2 150 mm。在進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，采用錨固劑進(jìn)行加固，錨固劑采用兩種型號(hào)進(jìn)行加固，加固深度設(shè)置為950 mm；并設(shè)置錨桿的最小錨固力大于120 kN，在進(jìn)行螺母操作時(shí)，設(shè)置其擰緊力矩大于200 N·m。

2.3 頂板錨索支護(hù)

錨索采用φ17.8 mm×6 300 mm 7股高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作，間距、排距為2 000 mm×2 000 mm，將錨索支護(hù)的孔深設(shè)置為6 000 mm。在進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，采用錨固劑進(jìn)行加固，錨固劑采用兩種型號(hào)進(jìn)行加固，加固深度設(shè)置為1 550 mm；并設(shè)置錨索的最小錨固力大于250 kN，在進(jìn)行螺母操作時(shí)，設(shè)置其擰緊力矩大于180 N·m。

2.4 鋼筋梯子梁

根據(jù)巷道的實(shí)際情況，選用鋼筋梯子梁進(jìn)行加固，鋼筋梯子梁采用直徑12 mm的鋼筋進(jìn)行焊接，將鋼筋梯子梁的長(zhǎng)度設(shè)置為4 100 mm，為了提高其支撐強(qiáng)度，鋼筋梯子梁的寬度設(shè)置為80 mm，對(duì)于顯微鉆孔設(shè)置其間距為800 mm。對(duì)于圍巖兩幫的鋼筋梯子梁，設(shè)置其上部寬度為1 800 mm，設(shè)置其下部寬度為1 200 mm，其間距為80 mm，限位鉆孔的距離設(shè)置為800 mm。

2.5 金屬網(wǎng)

對(duì)于錨網(wǎng)采用菱形網(wǎng)進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。菱形錨網(wǎng)采用直徑為10 mm的鐵絲進(jìn)行焊接而成，設(shè)置金屬錨網(wǎng)的長(zhǎng)度為8 500 mm，設(shè)置金屬錨網(wǎng)的寬度為1 150 mm。在巷道上覆頂板以及巷道兩幫圍巖進(jìn)行鋪設(shè)金屬菱形錨網(wǎng)。金屬菱形錨網(wǎng)之間采用連接的方式進(jìn)行連接，連接的長(zhǎng)度設(shè)置為150 mm，其誤差不能大于10 mm，采用16#鐵絲進(jìn)行連接，在連接的過(guò)程中符合一扣三扭的錨網(wǎng)連接規(guī)定。

3 運(yùn)輸和回風(fēng)巷道過(guò)斷層治理

3.1 施工泄水孔導(dǎo)水

如果后期鉆探斷層含水，且含水量較大，則為了方便巷道掘進(jìn)和減小水對(duì)泥巖圍巖的軟化，需要在工作面加固時(shí)布置泄水孔。巷道迎頭位置布置頂板加固施工鉆孔，設(shè)置其角度為上斜角30°，鉆孔的方向與巷道斷層走向呈90°。同時(shí)，鉆孔的長(zhǎng)度必須穿過(guò)斷層破碎區(qū)的長(zhǎng)度，施工鉆孔其直徑為75 mm并且安裝法蘭盤。設(shè)置鉆孔的總長(zhǎng)度為6 m。在巷道覆巖頂板并且靠近巷道中部施工垂直孔，打鉆孔深度為10 m。鉆取一個(gè)直徑為75 mm的鉆孔，在布置完泄水孔口，觀測(cè)涌水量變化特征，若泄水孔不足以滿足泄水的要求，要重新增加泄水孔。

3.2 冒落區(qū)處理

如果在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，已經(jīng)發(fā)生了頂板破碎矸石冒落，則需要對(duì)冒落區(qū)頂板進(jìn)行處理。在進(jìn)行冒落區(qū)處理時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)冒落區(qū)中的空巷進(jìn)行充填處理，保證巷道空頂區(qū)能夠有效控制，不先對(duì)破碎帶冒空區(qū)進(jìn)行充填，控制當(dāng)前冒頂處，以防進(jìn)一步發(fā)展，為后續(xù)圍巖及超前預(yù)注提供保障。在距離空頂區(qū)的上部以及左右兩個(gè)位置施工鉆孔，設(shè)置其傾角為60°，施工鉆孔孔徑為28 mm，對(duì)于空頂區(qū)其鉆孔深度必須大于空頂區(qū)的深度，保證空頂區(qū)的穩(wěn)定，在冒落空頂區(qū)位置放置風(fēng)筒布以及其他柔軟材料，防止注漿過(guò)程中漿液通過(guò)冒頂處流出來(lái)。同時(shí)，通過(guò)鉆孔進(jìn)行注漿作業(yè)，并且安裝注漿管路，對(duì)冒落空頂區(qū)進(jìn)行第一次封堵。注漿加固結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)為漿液從冒落空頂區(qū)內(nèi)流出來(lái)，待初始注漿結(jié)束后，再對(duì)其他充填孔進(jìn)行充填作業(yè)，在進(jìn)行充填的過(guò)程中先對(duì)冒落區(qū)的兩邊進(jìn)行充填，待兩邊充填完畢后在對(duì)中間進(jìn)行充填，選用發(fā)泡類注漿材料，充填區(qū)域應(yīng)該覆蓋整個(gè)冒落空頂區(qū)。

3.3 化學(xué)漿加固

待冒空區(qū)充填完畢后，采用化學(xué)漿液對(duì)巷道冒落空頂區(qū)四周易漏漿區(qū)域進(jìn)行加固，漿液在注漿過(guò)程中能夠很好地沖入到破碎區(qū)巖石的裂縫中，能夠?qū)⒃瓉?lái)不完整、不連續(xù)的煤巖體重新形成一個(gè)整體。增加煤巖體力學(xué)強(qiáng)度。提高圍巖穩(wěn)定性。保證在掘進(jìn)過(guò)程中不能發(fā)生冒頂事故。待易漏漿區(qū)域完全封堵后，采用加固材料對(duì)巷道超前距離區(qū)域內(nèi)進(jìn)行注漿加固，保證圍巖的穩(wěn)定性。在注漿過(guò)程中，每1.6 m進(jìn)行一次注漿加固作業(yè)，注漿過(guò)程中保證漿液的滲透半徑為2 m以上。同時(shí)，在注漿過(guò)程中對(duì)巷道斷層的破碎區(qū)進(jìn)行注漿加固作業(yè)，保證掘進(jìn)工作面超前一定距離下煤巖體是一個(gè)完整的整體。采用錨索、錨網(wǎng)、錨桿的注漿加固方式。間排距為0.8 m。錨索的排距為2 m，每排布置3個(gè)錨索加固孔，采用21.8 mm的錨索直徑，9 000 mm的錨索長(zhǎng)度，在進(jìn)行注漿加固過(guò)程中，設(shè)置注漿壓力為5 MPa。

4 運(yùn)輸和回風(fēng)巷道掘進(jìn)方式及支護(hù)參數(shù)

4.1 炮掘施工巖巷

運(yùn)輸和回風(fēng)巷道施工至巖巷處，綜掘機(jī)停放位置不得妨礙鋪設(shè)軌道，然后以上行15°坡采用炮掘向前掘進(jìn)，開始施工時(shí)，采用放小炮掘進(jìn)，防止破壞皮帶、開關(guān)、電纜、管路、綜掘機(jī)等設(shè)施設(shè)備，煤巖交接處5 m，錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，采用“三二”布置(圖2)，間排距為1.5 m×1.5 m×1 m，最大空頂距不得大于1.2 m，最小空頂距不得小于0.2 m，循環(huán)進(jìn)尺為1 m。巷道正常施工時(shí)，錨索采用“二二”布置，間排距2 m×2 m，最大空頂距不得大于2.2 m，最小控頂距不得小于0.2 m，循環(huán)進(jìn)尺為2 m，永久支護(hù)采用錨桿、錨索、菱形網(wǎng)、鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，頂板破碎段滯后工作面掌頭20 m在巷道中部支設(shè)一排φ16 cm木點(diǎn)柱，木點(diǎn)柱間距4 m作為信號(hào)柱使用，施工過(guò)程遇構(gòu)造、頂板破碎時(shí)，改變205運(yùn)輸順槽永久支護(hù)錨桿排距變?yōu)?00 mm、錨索采用“二一二”布置(圖3)，排距800 mm，錨索長(zhǎng)度8 300 mm。

圖2 運(yùn)輸和回風(fēng)巷道掘進(jìn)煤巖過(guò)渡區(qū)頂板支護(hù)

圖3 運(yùn)輸和回風(fēng)巷道過(guò)斷層破碎區(qū)頂板支護(hù)

如頂板破碎嚴(yán)重，采用φ21.8×8 300 mm注漿錨索進(jìn)行支護(hù)，注漿錨索施工完成，采用礦用12#金屬工字鋼棚“一梁三柱”、拉桿、道木、木楔加強(qiáng)支護(hù)，每組鋼棚不得少于三架，排距為1 m，棚腿采用φ20 mm圓鋼作聯(lián)桿上下連鎖，作業(yè)隊(duì)需將各種材料準(zhǔn)備充足，包括φ20×2 600、φ20×2 200 mm螺紋鋼錨桿，φ17.8×6 300、φ17.8×8 300 mm錨索及φ21.8×8 300 mm注漿錨索，在施工鉆孔時(shí)，施工人員要對(duì)鉆孔進(jìn)行觀察，施工至6.3 m時(shí)頂部保證錨索錨固在硬巖，無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)采用8.3 mm錨索，如錨索不能錨固，采用注漿錨索。

4.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

巷道頂板錨桿采用直徑為20 mm，長(zhǎng)度為2 200 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，靠幫的頂板角錨桿與鉛垂線煤壁的豎直線為10°。在進(jìn)行錨桿鉆孔施工中，設(shè)置錨桿鉆孔孔深為2 150 mm。采用錨固劑進(jìn)行加固，錨固劑采用兩種型號(hào)的進(jìn)行加固，設(shè)置加固的長(zhǎng)度為950 mm；并設(shè)置錨索的最小錨固力大于120 kN，在進(jìn)行螺母操作時(shí)，設(shè)置其擰緊力矩大于200 N·m。對(duì)于巷道圍巖兩幫錨桿采用直徑20 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，對(duì)于兩幫錨桿采用水平布置鉆孔，鉆孔孔深為1 950 mm，采用錨固劑進(jìn)行加固，錨固劑采用兩種型號(hào)的進(jìn)行加固，設(shè)置加固的長(zhǎng)度為950 mm；并設(shè)置錨索的最小錨固力大于120 kN，在進(jìn)行螺母操作時(shí)，設(shè)置其擰緊力矩大于200 N·m(巖巷兩幫上部支設(shè)滯后不大于2 m)。下部支設(shè)滯后不大于6 m支設(shè)。煤巷兩幫上部支設(shè)滯后不大于1 m。下部支設(shè)滯后不大于4 m支設(shè)，在頂、幫擰螺母前必須按規(guī)定上減磨墊圈，錨索采用φ17.8 mm×6 300 mm 7股高強(qiáng)度低松馳預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作，“二二”布置，排距2 000 mm，錨索長(zhǎng)度6 300 mm，巷道錨索孔深設(shè)置為6 000 mm。采用錨固劑進(jìn)行加固，錨固劑采用兩種型號(hào)的進(jìn)行加固，錨固加固長(zhǎng)度設(shè)置為1 550 mm，并設(shè)置錨索的最小錨固力大于250 kN，張拉預(yù)緊力不得小于180 kN，錨索終孔錨固段巖層性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，若在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)泥巖、斷層破碎帶、破碎區(qū)裂隙等不能達(dá)到錨固力要求時(shí)，必須采取注漿加固或者架棚輔助加強(qiáng)支護(hù)。

5 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)

為測(cè)定圍巖表面水平與垂直方向收斂量或收斂速度，判定圍巖穩(wěn)定性，應(yīng)測(cè)定圍巖表面絕對(duì)位移量，包括頂板下沉、底板起鼓和兩幫移近量。

使用噴漆在每個(gè)測(cè)站的兩幫和頂?shù)装甯鬟x擇一組水平和垂直的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，原則上選擇在兩幫和頂?shù)装逯胁?，每組只需要布置一個(gè)兩幫和一個(gè)頂?shù)装鍦y(cè)點(diǎn)，得出其變化特征如圖4所示。

圖4 巷道變形量

由圖4可知，當(dāng)掘進(jìn)工作面以及斷層破碎區(qū)經(jīng)過(guò)處理后，巷道頂板下沉量60 mm、底鼓量為50 mm、兩幫移近量為81 mm，巷道變形量較少，巷道得到了有效控制。

6 結(jié)論

采用分析法對(duì)工作面運(yùn)輸與回風(fēng)巷道過(guò)斷層進(jìn)行了分析。提出了冒落區(qū)頂板注漿治理、破碎圍巖超前預(yù)注漿、錨桿+錨索+網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方式并對(duì)支護(hù)后的巷道圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道頂板下沉量60 mm、底鼓量為50 mm、兩幫移近量為81 mm，巷道變形量較少，巷道得到了有效控制。