特厚煤層掘進(jìn)快速過斷層群圍巖加固技術(shù)研究

徐文平

（馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037100）

馬道頭煤業(yè)是設(shè)計(jì)年產(chǎn)1000 萬t 的特大型礦井，位于大同煤田西部。礦井四盤區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，在開拓過程中巷道多次受密集斷層群影響，頂板維護(hù)難度大、單進(jìn)水平低、安全風(fēng)險(xiǎn)大。在斷層群應(yīng)力集中區(qū)域礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道圍巖整體松軟破碎，頂部和幫部伴有側(cè)滑現(xiàn)象，“煤炮”頻繁發(fā)生。巷道原有支護(hù)受到嚴(yán)重破壞，鋼帶斷裂和托盤變形現(xiàn)象較為普遍，形成大量高冒區(qū)，處理起來既費(fèi)時(shí)又不安全，嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)和正常的采掘銜接。因此，需要結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)條件，研究制定一套安全高效的過斷層群支護(hù)技術(shù)。

1 概況

馬道頭煤業(yè)C3-5#層8404 工作面為四盤區(qū)首采工作面，該工作面設(shè)計(jì)走向長4211 m，傾向長221 m，平均煤厚17.4 m，工作面平均埋深387 m。煤層頂?shù)装鍘r性特征見表1。工作面巷道布置形式為“U”型，其中2404 巷為皮帶巷，兼做進(jìn)風(fēng)，5404 巷為輔運(yùn)巷，兼做回風(fēng)。2404 巷沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面5600 mm×3600 mm，支護(hù)形式為“錨桿+錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)”。頂板錨桿采用Φ22 mm×2400 mm，間排距800 mm×900 mm，預(yù)緊力為300 N·m，配套150 mm×150 mm×10 mm 高強(qiáng)度拱形托板；頂錨索采用Φ17.8 mm×8300 mm 型鋼絞線，間排距5400 mm×1800 mm，配套300 mm×300 mm×12 mm 高強(qiáng)度可調(diào)心托板；護(hù)幫采用Φ22 mm×2400 mm 型錨桿，間排距800 mm×900 mm，預(yù)緊力為300 N·m，配套150 mm×150 mm×10 mm 高強(qiáng)度拱形托板。

表1 C3-5#煤層頂?shù)装鍘r性特征表

地質(zhì)資料顯示，2404 巷在里程555 m 附近預(yù)計(jì)會(huì)揭露DF16 正斷層，斷層落差為0～10 m，斷層傾角為65°～70°，斷層走向斜交巷道，過斷以后煤層底板抬升?，F(xiàn)場施工過程中，巷道掘進(jìn)至560 m處揭露DF16 斷層，受斷層影響，巷道迎頭頂板破碎嚴(yán)重。經(jīng)過進(jìn)一步的探測發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)前方存在密集斷層群，影響范圍為120 m，對巷道的安全掘進(jìn)造成嚴(yán)重影響。為了加強(qiáng)過斷層群期間對破碎圍巖的控制，防止發(fā)生漏頂事故，提出采用錨注一體支護(hù)技術(shù)[1-5]。

2 圍巖加固支護(hù)方案

2.1 超前段支護(hù)錨注加固

在斷層群掘進(jìn)前，使用超前預(yù)注漿方法對破碎圍巖進(jìn)行加固改性，注漿可將掘進(jìn)前方頂板裂隙充填粘接。本次采用錨注一體工藝，該工藝可將錨桿的支護(hù)作用和注漿的粘接加固作用結(jié)合起來，可起到較好的頂板超前治理效果，實(shí)現(xiàn)先治后掘。方案采用中空注漿錨桿進(jìn)行支護(hù)和注漿，錨桿規(guī)格為Φ25 mm×6000 mm，在巷道迎頭每排施工5 根中空注漿錨桿，間排距為1500 mm×900 mm，仰角為15°，如圖1。待注漿錨桿錨固完成后，連接注漿管路快速接頭進(jìn)行注漿加固，注漿材料選用AB 混合型加固型注錨劑。控制注漿速度不要太快，當(dāng)發(fā)現(xiàn)局部頂幫漏漿時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止注漿并進(jìn)行封堵；當(dāng)注不進(jìn)漿液時(shí)，應(yīng)打開快速接頭取下注漿管路再安裝至下一根中空注漿錨桿上。重復(fù)以上程序繼續(xù)進(jìn)行注漿，以此類推完成全部注漿工作。

圖1 超前段支護(hù)錨注加固示意圖（mm）

2.2 掘進(jìn)段錨注一體加固

在超前錨注支護(hù)掩護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行掘進(jìn)，為了減少對巷道的擾動(dòng)，采用半邊掘進(jìn)半邊支護(hù)的方法，即將巷道斷面一分為二，一左一右進(jìn)行掘進(jìn)與支護(hù)交替作業(yè)。用中空注漿錨桿和錨索代替原支護(hù)設(shè)計(jì)的錨桿和錨索。施工頂板支護(hù)時(shí)，優(yōu)先施工頂注漿錨桿再施工注漿錨索，選用Φ25 mm×3100 mm中空注漿錨桿，每排7 根，間排距800 mm×800 mm；選用Φ22 mm×11 800 mm 中空注漿錨索，每排5 根，間排距1000 mm×800 mm。兩幫垂直煤壁各施工4 根Φ25 mm×3100 mm 中空注漿錨桿，間排距800 mm×800 mm，注漿材料選用加固型注錨劑，注漿方法同超前段注漿。需要注意的是注漿前要先對巷道進(jìn)行噴漿，對后續(xù)錨桿注漿形成托底層；然后對中空注漿錨桿注漿，使巷道圍巖3 m 范圍內(nèi)形成一個(gè)加固拱，對后續(xù)錨索注漿形成托底層；最后再進(jìn)行中空注漿錨索注漿，對巷道頂板上方11.5 m 范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行加固，實(shí)現(xiàn)對頂板堅(jiān)固性和完整性的提升。掘進(jìn)段錨注一體加固示意圖如圖2。

圖2 掘進(jìn)段錨注一體加固示意圖（mm）

2.3 滯后架棚二次注漿支護(hù)

巷道掘進(jìn)后，部分區(qū)段圍巖特別破碎，進(jìn)行錨注時(shí)發(fā)生了漏漿現(xiàn)象，導(dǎo)致充填不嚴(yán)實(shí)。為了消除隱患，對注漿時(shí)發(fā)生嚴(yán)重漏漿的區(qū)域采取架棚支護(hù)措施。鋼棚選用U29 型鋼，棚間距為800 mm，滯后工作面迎頭30 m 范圍內(nèi)進(jìn)行施工。隨后對架棚區(qū)域范圍內(nèi)的巷道進(jìn)行噴漿覆蓋，待噴漿凝固后，再次向巷道圍巖施工注漿孔，進(jìn)行二次充填注漿，使漏漿區(qū)域破碎圍巖得到進(jìn)一步加固。

3 應(yīng)用效果

2404 巷道采用注漿錨桿和注漿錨索加固技術(shù)后，順利穿過以DF16為主的斷層群120 m影響范圍。在此過程中，平均單進(jìn)為5 m/d，僅用24 d，與以往過斷層采用穿鋼針和短掘短支的工藝相比，單進(jìn)水平提高2 m，掘進(jìn)效率提升了66%。錨注一體支護(hù)將原錨桿錨索的錨固方式由端錨固改變?yōu)槿L錨固，錨固效果好且支護(hù)材料被漿液包裹不易腐蝕。通過近6 個(gè)月的巷道變形觀測，錨注一體支護(hù)區(qū)域的巷道圍巖頂?shù)装逡平?2 mm，兩幫移近量37 mm，與之前未采取錨注措施的過斷區(qū)域相比巷道變形量減少了60%，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

4 結(jié)論

（1）使用錨注一體技術(shù)可有效解決特厚煤層掘進(jìn)巷道過斷層群的圍巖控制問題。該技術(shù)將錨桿錨索支護(hù)作用和注漿的粘接加固作用有機(jī)結(jié)合起來，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體承載能力，實(shí)現(xiàn)了對破碎圍巖的加固和改性。

（2）基于錨注一體技術(shù)，采用超前段支護(hù)錨注加固、掘進(jìn)段錨注一體加固、滯后架棚二次注漿加固等方法，使得過斷期間單進(jìn)水平提升了66%，達(dá)到5 m/d，后期巷道變形和位移減少了60%，一定程度上預(yù)防了過斷層期間頂板事故的發(fā)生，保證了巷道的安全快速掘進(jìn)與后期使用，為其他同類型掘進(jìn)工作面過斷層群提供了參考與借鑒。