15301回風順槽過斷層破碎帶支護設計及應用

徐留軍

（山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

0 引 言

受地殼運動的影響，在煤礦井下部分巷道掘進期間會揭露斷層、褶曲、向斜等地質(zhì)構造，導致巷道掘進過程中應力集中、淋水增大、支護困難等問題，嚴重時還會出現(xiàn)頂幫失穩(wěn)、巖體離層冒落現(xiàn)象，危及職工生命安全，同時對巷道掘進速度及支護質(zhì)量產(chǎn)生較大影響[1-4]。基于此，通過對新村煤業(yè)15301工作面過地質(zhì)構造區(qū)域圍巖變形、應力分布及支護體工作載荷變化情況分析，提出并實施采用超前管棚密集挺頂及預注漿后，采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護對巷道圍巖進行加強支護的設計方案。經(jīng)過在15301回風順槽過斷層期間進行現(xiàn)場實踐，該技術方案達到設計支護強度要求，圍巖變形量小、支護效果理想。

1 概 況

新村煤業(yè)公司15301回風順槽設計工程量1 511 m，巷道寬×高=5 m×3.5 m，采用EBZ-160懸臂式掘進機沿15號煤層頂板掘進。15號煤層頂板為中粒砂巖砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖互層，巖層硬度系數(shù)低，圍巖承載能力差。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，15301回風順槽預計掘進至325 m處時將揭露F19斷層（H=20～40 m），F(xiàn)19斷層破碎帶寬度約為8 m，破碎帶影響斷層前后15 m范圍，導致煤巖層頂板破碎，對巷道安全掘進影響較大。巷道與斷層交匯情況如圖1所示。

圖1 15301回風順槽與F19斷層交匯情況示意Fig.1 Intersection of 15301 return air roadway and F19 fault

15301回風順槽與15303運輸順槽平行施工，兩巷間距35 m。根據(jù)礦井生產(chǎn)安排，15301回風順槽滯后15303運輸順槽約2個月揭露F19斷層，在15303運輸順槽巷道過斷層前通過超前探測，已掌握斷層具體分布位置，但由于對斷層產(chǎn)狀、地質(zhì)破碎帶巖體破碎程度等數(shù)據(jù)掌握不清楚，15301運輸順槽在掘進至距斷層位置12 m時，掘進機截割后巷道頂板失穩(wěn)，出現(xiàn)輕度冒落問題，如圖2所示。

圖2 15301運輸順槽頂板冒落處支護示意Fig.2 Supporting instruction of roof caving position of 15301 transport roadway

分析15303運輸順槽掘進至斷層破碎帶時的施工情況，在過地質(zhì)構造影響范圍時斷層破碎帶內(nèi)巷道圍巖在地質(zhì)作用下，巖體整體呈現(xiàn)不穩(wěn)定、層理紊亂、膠結(jié)度差的特性，現(xiàn)有支護體系及支護設計對巷道圍巖控制效果有限。因此在過斷層破碎帶期間需根據(jù)超前探測結(jié)果，提前采取有針對性的斷層破碎帶圍巖控制措施及支護設計，通過預注漿改善巷道頂板圍巖整體力學性能，提高圍巖的整體性及巷道支護強度，滿足巷道安全掘進需要。

2 巷道過破碎帶圍巖支護技術

2.1 超前管棚密集挺頂及預注漿支護設計

F19斷層上、下盤附近15號煤層老頂為平均厚度8.7 m左右的中粒砂巖，硬度系數(shù)5～7；直接頂為膠結(jié)性較差的炭質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖互層，平均厚度2.3 m，掘進期間巷道頂板極易出現(xiàn)失穩(wěn)垮落。F19斷層破碎帶長度8 m，破碎帶內(nèi)充填松散的礫石、炭質(zhì)泥巖等，內(nèi)無裂隙水源、不具備導水性。通過分析15303運輸順槽過F19斷層施工情況及經(jīng)驗，結(jié)合15301回風順槽實揭地質(zhì)資料，提出采用超前管棚密集挺頂及預注漿對頂板破碎帶進行超前控制，然后采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護對巷道圍巖進行加密支護的技術方案。通過采用超前管棚密集挺頂及預注漿的施工方法對頂板破碎巖體進行控制，提高斷層破碎帶巖層穩(wěn)定性、膠結(jié)度及圍巖承載能力，降低頂板垮落的危險性及圍巖變形下沉量。同時通過預注漿改善巷道頂板圍巖整體力學性能，為錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護創(chuàng)造基礎條件。超前管棚密集挺頂及預注漿支護設計方案如圖3所示。

圖3 超前管棚密集挺頂及預注漿支護設計Fig.3 Design of advanced pipe shed dense roof and pre-grouting support

15301回風順槽過斷層破碎帶超前管棚支護使用φ40 mm一般焊接鋼管制作，鋼管長度為2 m，鋼管全段打設直徑5 mm小孔，孔間距200 mm呈螺旋狀均勻布置，超前鋼管布置在巷道迎頭頂板上，鋼管傾角+30°，鋼管布置間距200 mm、排距1 200 mm。當巷道掘進至距斷層破碎帶位置5 m時開始施工超前注漿鋼管，鋼管施工完成后外露長度不超150 mm，不小于50 mm，之后在端頭安裝直徑40 mm或25 mm球形截止閥，并在眼口四周使用封孔膠封堵，確保注漿時漿液不泄露。注漿材料以水泥漿為主、水玻璃為輔，水泥使用425號普通硅酸鹽水泥，發(fā)現(xiàn)孔口或煤壁漏漿時使用水泥漿及水玻璃雙液漿，注漿時壓力始終保持在3～5 MPa，在持續(xù)10 min不吸漿的情況下，即可停機開啟泄壓閥后更換注漿管。在每排超前管棚注漿完成后3 h內(nèi)，向前掘進，掘進循環(huán)進尺控制在0.8 m，巷道最大控頂距1 000 mm，最小空頂距200 mm。每一循環(huán)掘進及臨時支護完成后，立即施工錨網(wǎng)索永久支護。

2.2 錨網(wǎng)索永久支護參數(shù)

15301回風順槽巷道寬×高=5 m×3.5 m，矩形斷面。錨網(wǎng)支護采用φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋高強錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm，蝶形托盤為200 mm×200 mm×10 mm，鋼筋網(wǎng)為φ6.5 mm×1 000 mm×2 000 mm，鋼筋網(wǎng)搭接長度不小于100 mm[1]，采用14號雙股鐵絲雙排扣聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)間距不大于200 mm，錨桿配合W型鋼帶壓實鋼網(wǎng)。頂部錨索采用φ21.6 mm×8 200 mm強度1 860 MPa鋼絞線，間排距1 600 mm×1 600 mm，隨巷道掘進打設；幫部錨索采用φ21.6 mm×6 500 mm強度1 860 MPa鋼絞線，間排距1 600 mm×800 mm，縱向安設鋼帶梁，錨索預緊力不小于35 MPa。錨網(wǎng)索支護完成后，對巷道進行噴漿封閉，對巷道輪廓及錨網(wǎng)索支護體進行噴漿覆蓋，噴射混凝土強度為C20、厚度100 mm，進一步提高巷道整體完整性及支護強度，防止長期裸露的風化作用對圍巖及支護體產(chǎn)生的影響。錨網(wǎng)索永久支護如圖4所示。

圖4 錨網(wǎng)索永久支護設計Fig.4 Permanent support design of anchor net cable

3 斷層破碎帶支護設計效果分析

15301回風順槽在過F19斷層破碎帶期間，掘進循環(huán)進尺控制在800 mm，采用超前管棚密集挺頂及預注漿、錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護方式后，巷道過斷層期間未出現(xiàn)頂板失穩(wěn)冒落、片幫超挖等情況。同時在掘進過后，分別在15301回風順槽過斷層區(qū)域布置5個礦壓監(jiān)測站，并對巷道頂板上方巖體1、3、6 m位置巖層位移及下沉離層情況進行監(jiān)測分析。通過3個月的檢測統(tǒng)計，在斷層破碎帶上覆頂板巖層逐漸穩(wěn)定，在監(jiān)測至32 d后頂板巖體基本穩(wěn)定，5個監(jiān)測站顯示頂板下沉位移量分別為13.8、25.7、45.3、35.6、28.5 mm，頂板整體位移量在可控制范圍內(nèi)，無頂板失穩(wěn)及冒落跡象，支護效果良好。15301回風順槽過斷層破碎帶區(qū)域礦壓監(jiān)測曲線如圖5所示。

4 結(jié) 語

通過在15301回風順槽過F19斷層破碎帶期間，根據(jù)相鄰巷道過斷層施工情況及礦井支護經(jīng)驗，采用超前管棚密集挺頂及預注漿后錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護的技術方案。該方案通過在掘進迎頭布置間隔200 mm的密集管棚及注漿加固，同時使用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護方式，對巷道圍巖進行加密支護，有效控制了斷層破碎帶區(qū)域內(nèi)巷道頂板的穩(wěn)定性，為掘進工作面過斷層破碎帶施工安全提供技術支撐，為后續(xù)同類型條件下過斷層破碎帶掘進施工提供有效參考。