巷道掘進過斷層破碎帶支護技術研究

蘇 朋

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責任公司，山西 孝義 033000）

引言

巷道是煤炭開采運輸、通風以及行人的通道，受地質構造、煤層賦存條件以及水文、巷道支護參數(shù)等因素影響，回采巷道掘進后常出現(xiàn)頂板冒落、煤壁片幫、底鼓、圍巖嚴重變形以及滲水等情況，給巷道正常使用帶來威脅[1-4]。因此，針對掘進巷道圍巖性質，采取針對性圍巖控制技術對確保巷道正常使用具有重要意義。隨著礦井采掘深度增加，回采巷道掘進受到地質構造影響更趨明顯，巷道掘進過斷層、陷落柱以及褶曲等構造時往往出現(xiàn)圍巖破碎、構造應力發(fā)育、圍巖穩(wěn)定性差等問題[5]。特別是巷道掘進過斷層破碎帶時，圍巖控制較為困難。為此，眾多研究學者從巷道掘進斷面、掘進方式、施工安排以及支護形式等展開研究，并提出架棚、注漿、錨網(wǎng)索支護等多種圍巖支護形式[6-7]。文中以山西某礦1506 巷掘進過DF21 斷層為工程實例，提出采用注漿+U 型鋼架棚+錨網(wǎng)噴方式控制圍巖變形，取得較好應用成果。

1 1506 巷工程概況

山西某礦1506 巷沿著5 號煤層底板掘進，巷道設計掘進距離為590 m、半圓拱斷面，采用綜合機械化方式掘進。5 號煤層賦存地質條件較為復雜，現(xiàn)開采區(qū)域整體位于一褶曲背部。5 號煤層厚度平均5.9m，煤層傾角10°，屬于全區(qū)可采煤層。前期物探資料顯示，1506 巷掘進范圍內(nèi)會揭露DF21、DF26 等多條斷層，其中DF21 斷層對巷道掘進有較為顯著影響。

5 號煤層上覆有厚度0.26 m 泥巖偽頂、賦存不穩(wěn)定；直接頂以泥巖為主、局部為粉砂巖，厚度為3.6m；基本頂以細砂巖、粗砂巖為主，厚度為4.6 m；直接底為泥巖、砂質泥巖互層，厚度為2.8 m。5 號煤層頂?shù)装鍘r層中的泥巖、砂質泥巖軟化系數(shù)較高、孔隙率大、承載能力較低，遇水時容易泥化。

2 掘進過斷層破碎帶圍巖支護技術

1506 巷掘進過DF21 斷層破碎帶時，受到圍巖破碎、裂隙發(fā)育等影響，巷道圍巖極其容易出現(xiàn)片幫、冒頂事故。為此，提出以注漿、錨網(wǎng)噴+U 型鋼為核心的圍巖支護技術方案。

2.1 超前預注漿

為了確保巷道安全掘進過斷層破碎帶，為掘進迎頭安全施工創(chuàng)造良好條件，提出使用注漿方式對斷層破碎帶內(nèi)圍巖進行加固。考慮到5 號煤層頂?shù)装鍘r層為孔隙率大、承載能力較低以及遇水時容易泥化的泥巖，注漿時不宜采用析水率相對較高的水泥漿液，為此，注漿材料選用聚氨酯。聚氨酯具有黏度低、可注性好、流動性優(yōu)異以及膠結后強度高等優(yōu)點。

具體巷道內(nèi)施工的注漿孔見圖1 所示，使用注漿管聚氨酯注入到斷層破碎帶內(nèi)，注漿孔孔深為4.0m、注漿壓力選擇為0.8 MPa，待注漿時間滿20 min 后即可停止注漿，注漿完成15 min 后即可開始掘進巷道。

圖1 巷道內(nèi)施工的注漿孔示意圖

2.2 錨網(wǎng)噴、U 型鋼支護

待巷道掘進至斷層破碎帶時，由于提前在斷層破碎帶內(nèi)注入有聚氨酯，斷層破碎帶內(nèi)巖體整體穩(wěn)定性以及強度均得以顯著提升，從而可為后續(xù)錨桿、錨索以及U 型鋼架設等提供良好條件。圍巖支護時使用的錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 600 mm，間排距按照1 000 mm×1 000 mm 布置，采用樹脂錨固劑錨固，錨固力以及抗拉強度分別為60 kN、190 MPa，錨桿支護時配套使用的長×寬×厚=250 mm×250 mm×10 mm 金屬托盤；在巷道表層鋪設長×寬×厚=3 000 mm×3 000 mm×4 mm 菱形金屬網(wǎng)；錨桿、金屬網(wǎng)鋪設完畢后，在巷道表層噴霧一層強度為C30 的抗?jié)B混凝土，厚度為80 mm。具體斷層破碎帶內(nèi)錨網(wǎng)噴、U型鋼支護設計圖見圖2 所示。

圖2 錨網(wǎng)噴、U 型鋼支護設計圖

3 斷層破碎帶圍巖支護效果分析

為了掌握巷道掘進過斷層破碎帶期間采用的注漿、錨網(wǎng)噴以及U 型鋼支護效果，對巷道圍巖變形量進行監(jiān)測。在斷層破碎帶內(nèi)間隔15 m 布置2 個測站，每個測站內(nèi)均布置3 個測點，從而實現(xiàn)對頂板、兩側巷幫變形量進行測定。具體2 個測站獲取到的頂板下沉量以及巷幫收斂變形量曲線見圖3 所示。

從圖3 看出，兩側測站獲取到的頂板、巷板變形量曲線變化趨勢類型，圍巖變形量在前7 d 內(nèi)變化較為明顯，后續(xù)變形基本區(qū)域穩(wěn)定。兩個測站監(jiān)測獲取到的頂板最大下沉量分別為30.5 mm、44.3 mm，巷幫收斂量分別為25.6 mm、35.4 mm，測定的巷道圍巖變形量均在穩(wěn)定范圍內(nèi)。2 號測站監(jiān)測得到的圍巖變形量較1 號測站較大，分析主要是由于2 號測站范圍內(nèi)有一定的涌出，從而導致圍巖變形量有所增加，但是通過使用注漿、錨網(wǎng)噴、U 型鋼支護，可有效遏制圍巖變形。

圖3 測站頂板以及巷幫變形量監(jiān)測結果

4 結論

1）斷層是影響巷道掘進安全常見的地質構造類型，受到斷層影響，斷層破碎帶內(nèi)煤巖體裂隙較為發(fā)育，會給巷道掘進安全帶來較大威脅。巷道掘進過斷層破碎帶時若不采取針對性的圍巖控制措施極其容易出現(xiàn)頂板淋水、煤壁片幫、頂板冒落以及支護結構失效等問題。

2）采用超前注漿、錨網(wǎng)噴、U 型鋼方式對圍巖進行控制，并根據(jù)掘進工作面實際情況對注漿、圍巖支護參數(shù)進行設計。現(xiàn)場應用后，斷層破碎帶內(nèi)巷道頂板、巷幫最大變形量分別控制在44.3 mm、35.4 mm，圍巖變形在允許范圍內(nèi)。