煤礦復(fù)雜圍巖條件下盾構(gòu)機(jī)施工方法的研究與應(yīng)用

沈陽(yáng)

（淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司工程處，安徽 淮北 235000）

0 引言

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采技術(shù)裝備的不斷發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)作為新型、高效掘進(jìn)裝備在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用率不斷提高。近年來(lái)盾構(gòu)機(jī)在煤礦開(kāi)拓工程施工中顯示出的快速、高效的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，有效緩解了部分礦區(qū)采掘接替緊張問(wèn)題。采用盾構(gòu)施工工藝在我國(guó)地質(zhì)條件較好的礦區(qū)取得了較好的效果，但淮北礦區(qū)井下地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道多為穿層施工，構(gòu)造多、壓力大并伴有淋水，巷道掘進(jìn)頂板安全管理難度大。目前煤礦用盾構(gòu)機(jī)多為敞開(kāi)式，其結(jié)構(gòu)存在局限性，刀盤向后至護(hù)盾段3 m左右巷道頂板無(wú)法及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)圍巖條件破碎時(shí)頂板易發(fā)生冒、漏事故，存在較大安全隱患，且漏冒頂處理時(shí)間長(zhǎng)，施工效率很低，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度?；幢钡V業(yè)首條盾構(gòu)線經(jīng)過(guò)在袁二礦七采區(qū)軌道大巷和軌道上山施工期間的摸索、實(shí)踐，形成了一套過(guò)破碎圍巖段巷道的施工方法。

1 工程概況

淮北礦業(yè)袁二礦七采區(qū)軌道大巷和上山盾構(gòu)機(jī)施工工程量3 100 m（含19°上山1 000 m），巷道設(shè)計(jì)尺寸為直徑4.88 m正圓形，支護(hù)形式為2次錨網(wǎng)索噴支護(hù)。巷道施工層位位于3煤層頂板至6煤層頂板，穿層施工，巖性主要以泥巖、粉砂巖為主，構(gòu)造發(fā)育，斷層多，施工范圍內(nèi)可探測(cè)斷層超過(guò)20條，其中斷層最大落差440 m，斷層帶圍巖條件非常破碎，且伴有超過(guò)20 m3/h的涌水量，極易出現(xiàn)冒漏頂，施工過(guò)程中出現(xiàn)最大冒頂高度超過(guò)20 m。

2 施工方法

2.1 過(guò)破碎圍巖區(qū)施工方法

當(dāng)巷道過(guò)斷層施工時(shí)，頂板圍巖較破碎，盾構(gòu)機(jī)刀盤推進(jìn)后可能出現(xiàn)掉頂，工程處在施工過(guò)程中不斷創(chuàng)新工藝、摸索方法，采取施工超前密集骨架護(hù)頂，利用骨架和注漿管進(jìn)行深淺孔注漿固頂?shù)氖┕し椒ㄊ┕ひ?jiàn)圖1、圖2。

1）利用盾構(gòu)機(jī)第一施工平臺(tái)攜帶的3200S鉆機(jī)，施工超前巖性探查孔。

2）根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)和巖性探查孔，判斷是否存在頂板冒漏的隱患，是否需要施工超前骨架孔。

3）當(dāng)迎頭圍巖巖性差，向前施工可能會(huì)在刀盤后3 m無(wú)支護(hù)區(qū)域出現(xiàn)冒漏頂時(shí)，采取打設(shè)超前骨架孔并注漿的施工方案，進(jìn)行超前護(hù)頂，防止出現(xiàn)冒漏頂。超前骨架孔沿盾構(gòu)機(jī)刀盤外400 mm布置，鉆孔間距400 mm（間距可根據(jù)巖性調(diào)整）,角度2°～3°，深度15 m，鉆孔水平布置寬度3 m，骨架鉆桿外露端頭用錨索托梁進(jìn)行加固，提高骨架的承載能力。巷道過(guò)斷層破碎帶期間，每進(jìn)尺10 m（壓差5 m）施工一組密集骨架鉆進(jìn)行超前支護(hù)。骨架采用鉆桿及注漿花管（φ73 mm）交替布置，每循環(huán)骨架孔施工后，利用注漿花管進(jìn)行深孔注漿。

圖1 盾構(gòu)施工支護(hù)斷面圖

圖2 超前深淺孔注漿示意圖

4）在15 m長(zhǎng)超前骨架孔的掩護(hù)下施工φ20 mm×4 500 mm長(zhǎng)注漿管進(jìn)行淺孔注漿補(bǔ)充加固，淺孔注漿管間距1.2 m,角度9°～15°，每排5根，布置在骨架孔下200 mm，每3 m施工一排淺孔注漿管，壓茬1.5 m。

5）注漿材料采用尤安特?zé)o機(jī)雙組份快速注漿料(以下簡(jiǎn)稱尤安特)，深孔注漿時(shí)，尤安特凝固時(shí)間為1 h，淺孔注漿時(shí)，尤安特凝固時(shí)間為30 min，施工現(xiàn)場(chǎng)也可根據(jù)圍巖狀況，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整骨架孔及淺孔注漿施工參數(shù)，當(dāng)迎頭圍巖極為破碎易漏頂時(shí)，縮小超前骨架間距，確保不出現(xiàn)漏頂。

6）在超前骨架和深淺孔注漿的掩護(hù)下，盾構(gòu)機(jī)逐排施工向前推進(jìn)，夠一排錨桿間排距及時(shí)施工一排，確保永久支護(hù)緊跟迎頭。

2.2 過(guò)極破碎圍巖區(qū)施工方法

若斷層傾斜角度較大、圍巖極為破碎，且具有導(dǎo)水性時(shí)，盾構(gòu)機(jī)刀盤推進(jìn)后，頂板出現(xiàn)漏頂、冒頂，頂板冒漏的泥水混合物從盾構(gòu)機(jī)刀盤間隙里大量涌出，掩埋盾構(gòu)機(jī)，造成盾構(gòu)機(jī)無(wú)法施工（見(jiàn)圖3）。此時(shí)應(yīng)停止盾構(gòu)機(jī)刀盤攪動(dòng)，采取超前注漿加固頂板，人工刷大短掘短支套棚支護(hù)的方法，將刀盤上方頂板支護(hù)住，再開(kāi)動(dòng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)施工下部，向前推進(jìn)。

圖3 刀盤推進(jìn)后頂板冒漏圖

1）超前骨架施工。骨架沿盾構(gòu)機(jī)護(hù)盾外緣布置，密集骨架采用φ75 mm鉆孔進(jìn)行施工，鉆孔間距不大于300 mm,角度12°～20°，骨架長(zhǎng)度必須能夠深入硬巖不小于2 m，骨架孔壓茬3 m施工，每茬骨架管外露部分用錨索梁（1梁3索）進(jìn)行固定。錨索規(guī)格φ17.8 mm×10 000 mm，錨索梁采用11號(hào)工字鋼加工，長(zhǎng)度3 m,錨索間距1 000 mm。

2）淺孔注漿施工。骨架施工結(jié)束后，施工注漿管進(jìn)行超前注漿。注漿材料采用礦用聚酯材料，注漿管型號(hào)φ20 mm，長(zhǎng)度確保超過(guò)刀盤3 m（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整注漿管長(zhǎng)度），注漿管沿護(hù)盾外緣布置，角度10°～20°，間距0.5～1.0 m，（間距、角度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整）迎頭每進(jìn)尺3.0 m進(jìn)行一次注漿加固。

3）超前撞鐵施工。套棚前施工超前撞鐵，撞鐵采用φ30 mm鋼管加工，長(zhǎng)度不小于2 000 mm，外露300 mm，間排距200 mm，角度5°～10°，沿巷道輪廓線布置，每套兩棚施工一茬撞鐵。若施工撞鐵眼過(guò)程中，釬子無(wú)法撥出，則使用釬子代替撞鐵作為超前支護(hù)，釬子長(zhǎng)度不小于2 000 mm，見(jiàn)圖4。

4）套棚施工。從盾構(gòu)機(jī)護(hù)盾退后3棚檔距進(jìn)行套棚施工，前三棚按原巷道尺寸進(jìn)行套棚，為留出人員施工空間，從第四棚（位于護(hù)盾上方，施工空間較?。╅_(kāi)始向上抬高1 200 mm套棚，第四棚緊貼第三棚套設(shè)。第五棚開(kāi)始按間距600 mm向前套棚，U型棚應(yīng)優(yōu)先考慮接到實(shí)頂、實(shí)幫，再保證成排上線，要確保U型棚套設(shè)有勁。

套棚過(guò)圍巖破碎區(qū)時(shí)，錨索無(wú)法生根在穩(wěn)定圍巖或無(wú)法施工時(shí)，棚子固定采用11號(hào)工字鋼配合道木和木楔對(duì)棚梁和棚腿進(jìn)行固定，當(dāng)棚腿墊實(shí)后，用混凝土將棚腿與巷幫噴實(shí)，確保U型棚牢固有勁，待盾構(gòu)機(jī)向前施工后，再拆除加固工字鋼。

圖4 超前骨架掩護(hù)及淺孔注漿示意圖

3 安全、技術(shù)保障措施

3.1 頂板、山墻管理

1）過(guò)圍巖破碎帶期間及時(shí)縮小循環(huán)進(jìn)度，堅(jiān)持短掘短支進(jìn)行施工。盾構(gòu)機(jī)截割后，立即進(jìn)行敲幫問(wèn)頂，必要時(shí)先噴漿封閉圍巖。及時(shí)施工錨桿、錨索、掛網(wǎng)、噴漿成巷。

圖5 架棚支護(hù)示意圖

2）采用全螺紋錨桿+鋼筋網(wǎng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)撐靴前后5 m范圍內(nèi)及一平臺(tái)上300 mm（巷道起拱位置）處進(jìn)行防護(hù)處理，防止人員施工幫部錨桿時(shí)出現(xiàn)折幫，在施工過(guò)程中出現(xiàn)矸石掉落時(shí)要隨時(shí)緊固全螺紋錨桿，始終保證托盤緊貼巖面。

3）采取超前骨架深淺孔注漿支護(hù)后，局部頂板任出現(xiàn)超挖時(shí)，需采用帶帽點(diǎn)柱配合金屬網(wǎng)臨時(shí)護(hù)頂，帶帽點(diǎn)柱打設(shè)一排，間排距1.0～1.5 m，帽沿距端面不大于300 mm。

4）盾構(gòu)機(jī)刀盤截割輪廓線以外因頂板超挖增加的山墻，每循環(huán)施工前應(yīng)在頂板超前支護(hù)的保護(hù)下進(jìn)行封山臨時(shí)支護(hù)，并及時(shí)進(jìn)行永久支護(hù)。

5）人工刷大架棚施工。頂板采用4根前探梁作為臨時(shí)支護(hù)，前探梁由11號(hào)工字鋼加工、長(zhǎng)度4.5 m，間距1 500 mm。期初架設(shè)的3架U型棚前探梁利用錨桿配合卡纜進(jìn)行固定。人工向前刷大過(guò)程中，若頂板、肩窩出現(xiàn)漏、掉情況，及時(shí)停止施工進(jìn)行噴漿封閉并進(jìn)行淺孔注漿加固，當(dāng)頂板、肩窩不出現(xiàn)漏、掉情況時(shí)，再繼續(xù)人工刷大，見(jiàn)圖5。

3.2 注漿管理

1）超前骨架孔要按設(shè)計(jì)參數(shù)施工，確保超前保護(hù)距離、高度、寬度符合要求。

2）超前注漿花管孔，施工好后要立即裝入套管，防止塌孔。下套管前清理套管絲頭，防止煤矸混進(jìn)絲頭造成套管連接不嚴(yán)密。

3）注漿花管注漿前要封好孔，封孔時(shí)提前將棉紗纏繞在距孔口3 m和5 m處的套管上，纏繞長(zhǎng)度1 m,套管下到位后，用封孔劑封堵孔口不少于500 mm,之后將注漿管路與19號(hào)閘閥及絲頭與套管相連接。

4）當(dāng)遇到漏漿情況的時(shí)候，暫停注漿泵或調(diào)整節(jié)流閥，降低注漿速度，停泵時(shí)間不能超過(guò)3 min，每3 min左右開(kāi)一次注漿泵，讓泵的活塞往返運(yùn)動(dòng)2次，然后停止注漿泵，如此反復(fù)，直到已經(jīng)注入的漿液強(qiáng)度封堵住漏漿裂隙為止，然后繼續(xù)正常開(kāi)泵注漿；當(dāng)遇到裂隙比較大的漏漿通道的時(shí)候，可以用棉紗塞住漏漿通道，輔助漿液封堵漏漿通道。

3.3 瓦斯管理

1）班隊(duì)長(zhǎng)及跟班負(fù)責(zé)人每班必須攜帶便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀，跟班隊(duì)長(zhǎng)負(fù)責(zé)在迎頭正規(guī)懸掛便攜式甲烷檢測(cè)報(bào)警儀。

2）采用抗靜電阻燃風(fēng)筒，風(fēng)筒出風(fēng)口到迎頭的距離全巖巷道不大于10 m。風(fēng)筒吊掛應(yīng)平直，要求環(huán)環(huán)吊掛，不準(zhǔn)擠壓、撕裂、斷開(kāi)風(fēng)筒。

3）施工過(guò)程中要堅(jiān)持深淺孔配合探查，利用深孔骨架鉆孔及淺孔注漿鉆孔兼做探眼，施工過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)瓦斯異常、出現(xiàn)頂鉆等現(xiàn)象，應(yīng)立即停止作業(yè)，但不得撥出鉆桿或釬子，并撤出人員，切斷回風(fēng)流中的一切動(dòng)力電源。

4 結(jié) 語(yǔ)

淮北礦業(yè)袁二礦七采區(qū)軌道大巷及上山盾構(gòu)機(jī)穿斷層帶施工是全國(guó)范圍內(nèi)首個(gè)極復(fù)雜圍巖條件下煤礦盾構(gòu)機(jī)施工實(shí)例，施工期間，創(chuàng)新采用了一系列新工藝、新方法，安全有效的穿過(guò)了30 m冒高導(dǎo)水?dāng)鄬悠扑閹У?0多條斷層破碎帶，未再出現(xiàn)冒、漏頂現(xiàn)象，不僅提高了施工安全性，而且避免了冒頂處理影響，保證了盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的穩(wěn)步施工。

在煤炭行業(yè)發(fā)展向智能化、信息化、機(jī)械化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的大背景下，井工煤礦掘進(jìn)采用盾構(gòu)機(jī)施工是發(fā)展方向，引進(jìn)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行巖巷施工是煤礦“減人提效”的重要舉措。敞開(kāi)式盾構(gòu)機(jī)施工期間為解決新設(shè)備不適應(yīng)破碎圍巖巷道的“水土不服”問(wèn)題，淮北礦區(qū)廣大工程技術(shù)人員從實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步摸索出一套破碎圍巖條件下盾構(gòu)機(jī)的施工方法，為盾構(gòu)機(jī)在全國(guó)礦區(qū)的推廣應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)，其經(jīng)驗(yàn)在全國(guó)范圍內(nèi)值得推廣。