煤巷掘進(jìn)過斷層破碎帶超前支護(hù)研究

林利軍

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)公司 安全監(jiān)察中心，山西 介休 032000)

斷層是影響煤炭回采效率及生產(chǎn)安全的常見構(gòu)造類型，巷道在斷層影響區(qū)內(nèi)掘進(jìn)期間，特別是斷層具有一定導(dǎo)水性時(shí)，巷道掘進(jìn)迎頭容易出現(xiàn)淋水、冒頂、圍巖變形量大等問題[1-2]。注漿是封堵斷層破碎帶內(nèi)導(dǎo)水裂隙、提高破碎煤巖體穩(wěn)定性及強(qiáng)度的主要技術(shù)方法[3-5]。巷道圍巖支護(hù)中最為常用的支護(hù)手段即為錨網(wǎng)索支護(hù)，將錨網(wǎng)索與U型架棚共同作業(yè)，可起到較好控制圍巖變形的目的[6-10]。山西某礦+350運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間揭露有DF16斷層，過斷層破碎帶時(shí)面臨圍巖破碎、頂板冒落、支護(hù)困難以及淋水等問題。為此，文中根據(jù)現(xiàn)場情況并結(jié)合以往類似情況處理經(jīng)驗(yàn)，提出采用超前注漿+預(yù)應(yīng)力錨索+U型架棚支護(hù)方式，有效解決斷層破碎帶涌水以及圍巖變形量大等問題。

1 工程概況

+350運(yùn)輸巷沿著開采的6號煤層頂板掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱型，巷道掘進(jìn)區(qū)域埋深平均320 m.現(xiàn)開采水平煤層無突出危險(xiǎn)性，6號煤層原始瓦斯含量3.9～5.2 m3/t、瓦斯壓力為0.37～0.42 MPa.+350運(yùn)輸巷為直墻半圓拱斷面，掘?qū)?、掘高分別為5 720 mm、4 680 mm，原設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)噴方式，表層噴射厚度120 mm混凝土。根據(jù)現(xiàn)有資料顯示，+350運(yùn)輸巷掘進(jìn)揭露有DF16斷層(H=3～15 m，185°∠39°)，具體見圖1.在DF16斷層影響區(qū)內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力集中、煤巖體破碎，煤層局部位置傾角出現(xiàn)變化，預(yù)測斷層破碎帶寬度約為12 m.+350運(yùn)輸巷掘進(jìn)過DF16斷層期間頂板為厚度3.7～9.4 m的砂質(zhì)泥巖、底板為厚度6.2～7.5 m的鋁質(zhì)泥巖。

圖1 DF16斷層剖面圖

2 施工技術(shù)方案

根據(jù)DF16斷層的實(shí)際情況，提出采用預(yù)注漿+預(yù)應(yīng)力錨桿(索)+U型架棚方式封堵潛在的導(dǎo)水裂隙并控制圍巖。在巷道掘進(jìn)至距離DF16斷層30 m時(shí)，即在掘進(jìn)迎頭砌筑混凝土止?jié){墻，后向斷層破碎帶進(jìn)行超前注漿，待漿液完全固結(jié)且封堵導(dǎo)水裂隙后，方可繼續(xù)掘進(jìn)。在斷層破碎帶內(nèi)布置的U型架棚支護(hù)間距控制在1.5 m.

2.1 混凝土止?jié){墻布置

在掘進(jìn)迎頭布置止?jié){墻提高注漿安全系數(shù)，避免注漿期間出現(xiàn)涌水或者漏漿等事故。止?jié){墻厚度為2 m，砌筑材料為C30混凝土，分層砌筑(分層厚度400 mm以內(nèi))，并振搗密實(shí)；為封堵止?jié){墻與定板間縫隙，在接茬處噴射C25混凝土。止?jié){墻施工前在砌筑位置巷幫及底板開槽，開槽后巷道寬度為6 720 mm、高度為5 680 mm.具體施工的混凝土擋墻結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 混凝土擋墻結(jié)構(gòu)示意圖(mm)

2.2 注漿鉆孔布置及注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 注漿鉆孔布置

為避免巷道掘進(jìn)過DF16斷層破碎帶時(shí)出現(xiàn)淋水問題，提出通過超前注漿方式封堵導(dǎo)水裂隙并提高破碎巖體穩(wěn)定性。注漿鉆孔沿著巷道軸向布置，見圖3.布置的鉆孔孔深統(tǒng)一為60 m、孔徑為85 mm；在鉆孔孔口處布置孔徑130 mm(外徑130 mm、內(nèi)徑108 mm)、長度4 500 mm的孔口管。

圖3 注漿鉆孔布置示意(mm)

2.2.2 注漿參數(shù)

注漿漿液為水泥單液漿，注漿水灰比配比有3種，分別為0.75∶1、1∶1及2∶1，具體水泥漿配制見表1.在水泥漿中添加一定量的水玻璃改善水泥漿性能，采用的水玻璃模數(shù)及濃度分別為2.4～3.0、35～42 Be.

表1 注漿漿液配備

在斷層破碎帶內(nèi)注漿時(shí)注漿壓力設(shè)定為5 MPa，具體注漿漿液注入量可通過下述公式計(jì)算：

(1)

式中：Q為注漿鉆孔注入量，m3；A為注漿漿液消耗系數(shù)，取1.5；H為注漿鉆孔孔深，取60 m；R為注漿漿液有效擴(kuò)散距離，斷層破碎帶內(nèi)取5 m；n為斷層破碎帶孔隙率，取5%；β為注漿漿液充填系數(shù)，取0.95；N為注漿鉆孔數(shù)量，取5個(gè)；m為結(jié)石率，取85%.將上述參數(shù)帶入公式(1)中即可求得注漿總量約為2 000 m3.

2.3 圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

在過斷層破碎帶時(shí)采用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)圍巖，并采用短掘短支工藝降低巷道掘進(jìn)難度并控制圍巖變形量。支護(hù)用錨桿為螺紋鋼錨桿(D22 mm×2 200 mm)、間排距均為700 mm，錨索為鋼絞線(D21.8 mm×7 500 mm)、間排距1 600 mm×1 800 mm.錨桿、錨索施加預(yù)緊力分別為50 kN、120 kN以上。

2.4 架棚支護(hù)

過斷層破碎帶時(shí)用的U型鋼強(qiáng)化破碎圍巖表面支護(hù)強(qiáng)度。巷道掘進(jìn)后即刻噴射厚度50 mm、強(qiáng)度C20的混凝土，通過除噴封閉巷道表面裂隙并給圍巖一定支護(hù)強(qiáng)度；隨后架設(shè)U型鋼支架控制圍巖變形，采用的U型鋼支架規(guī)格為5 500 mm×4 700 mm.頂梁兩端搭接至棚腿彎曲部，搭接長度控制在450 mm；上頂梁時(shí)采用木板、鋼管及管扣架設(shè)施工平臺。架棚架設(shè)時(shí)應(yīng)確保鋼棚間附件、拉桿等設(shè)備齊全，U型鋼采用混凝土板與頂板及巷幫背實(shí)。

3 圍巖控制效果分析

在+350運(yùn)輸巷掘進(jìn)過DF16斷層破碎帶時(shí)，綜合使用超前注漿、預(yù)應(yīng)力錨桿(索)以及鋼架棚等支護(hù)方式對破碎帶圍巖進(jìn)行控制。支護(hù)完成后對巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測，具體監(jiān)測結(jié)果見圖4.從監(jiān)測結(jié)果看出，對斷層破碎帶進(jìn)行注漿、錨網(wǎng)索及架棚支護(hù)后，巷道在支護(hù)初期(支護(hù)完成10 d內(nèi))圍巖變形速度較大，頂板及巷幫最大變形速度分別為2.6 mm/d、4.5 mm/d；隨著支護(hù)時(shí)間增加，圍巖變形速度呈不斷降低趨勢，支護(hù)完成40 d后頂板及巷幫變形速度均降低0.02 mm/d以內(nèi)；頂板及巷幫最大變形量分別為53 mm、92 mm，圍巖變形量在允許范圍內(nèi)，不會影響巷道后續(xù)使用。

圖4 圍巖變形統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 語

1) +350運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間會揭露DF16斷層，通過前期物探資料顯示，該斷層破碎帶具有一定導(dǎo)水性，由于6號煤層頂?shù)装搴畬痈凰暂^差，預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)過該斷層破碎帶時(shí)圍巖涌出量較小。由于6號煤層頂?shù)装鍘r性以泥巖為主，遇水后容易出現(xiàn)弱化、崩解等問題，給巷道掘進(jìn)帶來較大影響。為此，提出采用超前注漿+預(yù)應(yīng)力錨桿(索)+架棚方式控制斷層破碎帶圍巖。

2) 依據(jù)現(xiàn)場條件對注漿鉆孔布置、注漿參數(shù)、預(yù)應(yīng)力錨桿(索)及架棚等支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工程應(yīng)用。應(yīng)用后，巷道在破碎帶掘進(jìn)時(shí),圍巖未出現(xiàn)淋水情況、掘進(jìn)迎頭未出現(xiàn)頂板冒落，同時(shí)支護(hù)后40 d時(shí),圍巖變形即趨于穩(wěn)定，圍巖變形量整體較小。