高河能源W4307輔運(yùn)巷過(guò)斷層施工技術(shù)研究

趙晉澤

(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

斷層是礦井生產(chǎn)過(guò)程中常遇的一種地質(zhì)構(gòu)造，由于斷層上下盤(pán)間相互擠壓錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致斷層帶附近圍巖破碎不連續(xù)，承載性較差[1-3]。巷道掘進(jìn)遭遇斷層時(shí)，需根據(jù)斷層賦存情況選擇合理的掘進(jìn)工藝及支護(hù)方案，以保證巷道安全高效地通過(guò)斷層[4-5]。本文以高河能源W4307輔運(yùn)巷過(guò)Fw159逆斷層為工程背景，展開(kāi)巷道過(guò)斷層施工技術(shù)研究，保證掘進(jìn)面的安全生產(chǎn)。

1 工程背景

1.1 工作面概況

高河能源W4307工作面主采3號(hào)煤層。3號(hào)煤層位于山西組下部，平均埋深為500 m，平均煤厚6.6 m，煤層傾角1～5°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸0～5層，一般1～2層。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、細(xì)粒砂巖，具體頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

1.2 斷層構(gòu)造情況

W4307輔運(yùn)巷主要擔(dān)負(fù)工作面的運(yùn)輸及進(jìn)風(fēng)任務(wù)，W4307進(jìn)、回風(fēng)巷在掘進(jìn)時(shí)揭露了Fw159斷層，由于斷層帶應(yīng)力集中，圍巖破碎，導(dǎo)致進(jìn)、回風(fēng)巷過(guò)斷層時(shí)維護(hù)困難。為保證W4307輔運(yùn)巷安全、順利通過(guò)斷層，需提前探明輔運(yùn)巷前方Fw159斷層的產(chǎn)狀及位置，為巷道支護(hù)及施工措施提供依據(jù)。

在W4307輔運(yùn)巷里程1 981 m及里程2 031 m處布置探查鉆孔，根據(jù)探查孔得出，F(xiàn)w159斷層預(yù)計(jì)在W4307輔運(yùn)巷2 077 m處揭露，該斷層為斷層傾角∠51°的逆斷層，落差為4 m，斷層走向?yàn)镹22°W，與巷道設(shè)計(jì)方位呈70°夾角。根據(jù)斷層傾角、落差分析，預(yù)計(jì)斷層影響區(qū)域?yàn)榻衣稊鄬忧? m，揭露斷層后8 m，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露情況及時(shí)收集數(shù)據(jù)，確保過(guò)斷層期間的施工安全。Fw159斷層與巷道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 Fw159斷層與巷道位置關(guān)系圖

1.3 水文地質(zhì)情況

根據(jù)瞬變電磁勘探及W4307進(jìn)風(fēng)巷實(shí)際揭露情況分析，該區(qū)域內(nèi)無(wú)富水區(qū)，水文條件較為穩(wěn)定。該斷層無(wú)富水、無(wú)導(dǎo)水性。頂板受砂巖含水層影響，預(yù)計(jì)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)期間頂板有少量淋水、滴水現(xiàn)象，正常涌水量為5 m3/h，最大涌水量為30 m3/h.

2 巷道過(guò)斷層施工工藝

2.1 掘進(jìn)工藝

過(guò)斷層施工全長(zhǎng)22.5 m，掘進(jìn)期間需破底板巖石，破底巖厚度變化為由薄變厚，由厚變薄，預(yù)計(jì)破巖最大厚度為2.1 m.W4307輔運(yùn)巷沿煤層底板掘進(jìn)，迎頭位于斷層下盤(pán)，距揭露斷層17 m時(shí)，以8°下山留底煤掘進(jìn)找到上盤(pán)煤層底板后，巷道沿煤層底板繼續(xù)施工。巷道掘進(jìn)方案如圖2所示。

圖2 巷道掘進(jìn)方案

巖石硬度較小時(shí)(f≤6)，采用掘進(jìn)機(jī)截割；巖石硬度較大時(shí)(f>6)，采用放震動(dòng)炮配合掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行破巖。下部巖石部分采用震動(dòng)炮法掘進(jìn)，上部煤體部分采用掘進(jìn)機(jī)配合人工掘進(jìn)，過(guò)斷層施工時(shí)，先施工上部煤，后施工下部巖。

巷道掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)上部煤厚≥2.4 m時(shí)，先施工上部煤，上部永久支護(hù)完畢后，對(duì)下部巖石放震動(dòng)炮，循環(huán)進(jìn)尺為1 000 mm；當(dāng)上部煤厚<2.4 m時(shí)，先對(duì)下部巖石放震動(dòng)炮松動(dòng)巖石，然后再用掘進(jìn)機(jī)割上部煤到巷道設(shè)計(jì)尺寸，循環(huán)進(jìn)尺1 000 mm.

下半部分巖石放震動(dòng)炮時(shí)：炮眼深度為1 200 mm，每排布置13個(gè)炮眼，間排距400 mm×400 mm，隨著破巖石厚度每增加400 mm，增加1排炮眼，每孔裝藥量為0.4 kg，采用YT28型風(fēng)鉆濕式打眼，乳化炸藥及毫秒延期電雷管、電容起爆器。嚴(yán)格爆破作業(yè)，執(zhí)行爆破安全技術(shù)措施相關(guān)內(nèi)容。下部巖石放炮時(shí)，確保上一循環(huán)迎頭頂、幫永久支護(hù)到位。以最大破巖厚度2.1 m為例，其炮孔布置方案如圖3所示。

圖3 炮孔布置方案(mm)

2.2 圍巖支護(hù)方案

1) 錨網(wǎng)索+梯子梁支護(hù)。為保證巷道過(guò)斷層時(shí)圍巖的穩(wěn)定性，采用“錨網(wǎng)索+梯子梁”的支護(hù)形式，將巷道原支護(hù)方案中的錨桿排距由1 000 mm縮小為600 mm.

其中，頂板錨桿為D22 mm×2 400 mm的左旋無(wú)縱肋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間距為800 mm，排距為600 mm，每排布置6根，靠近兩幫的頂錨桿與垂線呈20°夾角向外側(cè)施工；頂錨索采用D22 mm×8 300 mm的鋼絞線，間距1 400 mm，排距600 mm，每排布置3根，兩邊錨索距巷道幫部1 250 mm，并通過(guò)雙筋梯子梁有效連接錨索，梯子梁長(zhǎng)度5 000 mm，最后加掛金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表支護(hù)。

采煤側(cè)巷幫采用“錨桿+單筋梯子梁”支護(hù)，錨桿間排距1 000 mm×600 mm，每排4根，最下排錨桿下斜10°施工，最上排錨桿上斜20°施工，采用2根長(zhǎng)度分別為2 200 mm和1 200 mm的單筋梯子梁連接，并加掛塑鋼網(wǎng)；煤柱側(cè)巷幫錨桿間排距為800 mm×600 mm，每排5根，布置形式與采煤側(cè)相同，采用2根長(zhǎng)度均為1 800 mm的單筋梯子梁連接，并加掛金屬網(wǎng)。

為保證支護(hù)強(qiáng)度，錨桿(索)錨固時(shí)，應(yīng)保證錨桿預(yù)緊力矩不小于350 N·m，錨固力不小于190 kN，錨索張拉力須達(dá)到260 kN.具體支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)方案(mm)

2) 架棚支護(hù)。由于斷層影響區(qū)域應(yīng)力復(fù)雜，局部區(qū)域存在應(yīng)力集中或者卸壓現(xiàn)象，為保證順利通過(guò)，需在斷層面影響區(qū)域前后共15 m范圍內(nèi)進(jìn)行架棚支護(hù)。架棚滯后迎頭不得超過(guò)5 m，棚間距為600 mm.梯形棚采用11號(hào)礦用工字鋼制作，棚梁長(zhǎng)度為4 700 mm，棚腿長(zhǎng)3 750 mm，棚梁與棚腿夾角為99°，棚腿與幫之間、頂梁與頂板間隙用剎桿、道木、半圓木背實(shí)，棚間采用U型卡及鐵拉桿相連，頂、幫各兩道，頂部角鐵拉桿距梁頭1 000 mm，幫部角鐵拉桿分距底1 200 mm、2 400 mm，棚腿下墊200 mm×200 mm×50 mm木鞋板；每5架棚間采用4根4.2 m長(zhǎng)鋼梁串梁連接，頂部?jī)傻?，兩幫幫部各一道，頂部串梁距梁頭1 200 mm，幫部串梁距底1 800 mm.棚架好后，棚腿底部采用C30混凝土澆筑，澆筑寬度300 mm，高度150 mm，澆筑采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，砼配合比為水∶水泥∶沙∶石子=0.38∶1∶1.11∶2.72.具體架棚支護(hù)方案如圖5、圖6所示。

圖5 架棚支護(hù)方案

圖6 工字鋼梁加工圖

3 支護(hù)效果分析

為觀測(cè)分析支護(hù)方案對(duì)W4307輔運(yùn)巷過(guò)斷層時(shí)圍巖的控制效果，在巷道內(nèi)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測(cè)過(guò)斷層期間圍巖表面的位移量，監(jiān)測(cè)持續(xù)48 d，每3 d統(tǒng)計(jì)1次數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的控制下，W4307輔運(yùn)巷過(guò)斷層影響區(qū)時(shí)，頂板的變形量相對(duì)高于兩幫變形量，圍巖在監(jiān)測(cè)10 d內(nèi)的變形速度最快，變形量大幅增加，并于18 d后逐漸趨于穩(wěn)定，其中頂板的最大下沉量為88.9 mm，兩幫的最大移近量為67.2 mm，圍巖整體變形量較小，滿足安全生產(chǎn)需求，驗(yàn)證了圍巖支護(hù)方案的合理性和適用性。

圖7 巷道圍巖位移曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)布置探查孔得出，F(xiàn)w159斷層預(yù)計(jì)在W4307輔運(yùn)巷2 077 m處揭露，該斷層為逆斷層，斷層傾角∠51°，落差4 m，斷層走向?yàn)镹22°W，與巷道設(shè)計(jì)方位呈70°夾角，預(yù)計(jì)影響范圍約為10 m。

2) 針對(duì)斷層賦存情況及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，提出了W4307巷道過(guò)斷層的掘進(jìn)工藝及圍巖支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，頂板的最大下沉量為88.9 mm，兩幫的最大移近量為67.2 mm，圍巖整體變形量較小，支護(hù)方案取得了良好的控制效果。