破碎圍巖中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)巷道炮掘工藝及支護(hù)技術(shù)研究

王瑞超，李常厚，于振祥

（山西臨縣錦源煤礦有限公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

井下排水系統(tǒng)對(duì)于礦井的安全生產(chǎn)具有重要的作用，煤礦井下水倉(cāng)是保證安全生產(chǎn)、防止礦井水災(zāi)的重要設(shè)施。但由于水倉(cāng)巷道斷面大，而造成施工強(qiáng)度高、效率低，容易造成礦井銜接緊張[1-2]；而當(dāng)水倉(cāng)巷道處在軟弱巖層中，圍巖易于破碎，其對(duì)水倉(cāng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此優(yōu)化掘進(jìn)工藝及支護(hù)參數(shù)對(duì)于水倉(cāng)的高效安全掘進(jìn)具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 巷道圍巖地質(zhì)條件

中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)位于錦源井田的東南部，對(duì)應(yīng)地面主要有湫水河、南圪垛村，地面標(biāo)高為+708.8～+730.4 m。中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)施工范圍內(nèi)位于太原組L5、L4灰色石灰?guī)r層，地層較平緩，以深灰色砂質(zhì)泥巖及黑灰色泥巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，含碳質(zhì)，巖芯破碎。該巷道附近區(qū)域地層垂直應(yīng)力σV=9.83 MPa，由于垂直應(yīng)力較大，特別是在構(gòu)造應(yīng)力影響下可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而造成頂板破碎、冒頂?shù)痊F(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露瓦斯最大涌出量0.4 m3/h；預(yù)計(jì)掘進(jìn)正常涌水量5 m3/h，最大涌水量15 m3/h。

1.2 中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)位置及斷面特征

中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)設(shè)計(jì)全長(zhǎng)243 m，從+302水平北翼輔助運(yùn)輸巷按N170°方位角以-3 ‰坡度施工19.273 m至內(nèi)外水倉(cāng)交叉點(diǎn)。按N170°方位角-10°坡度掘進(jìn)施工21.152 m后開(kāi)始轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑為m，轉(zhuǎn)彎角度35°，轉(zhuǎn)彎施工5.498 m，把正按N135°方位角、+2‰坡度繼續(xù)向前施工41.746 m，按9 m轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎角度為90°、轉(zhuǎn)彎施工14.137 m，把正按N225°方位角以+2‰坡度繼續(xù)向前施工77.683 m，再次按9 m轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎角度90°轉(zhuǎn)彎施工14.137 m、把正按N315°方位角以+2 ‰坡度繼續(xù)向前施工46.95 m后變小斷面向前施工2.5 m后施工結(jié)束。各斷面規(guī)格見(jiàn)表1。

2 水倉(cāng)掘進(jìn)工作面施工工藝

2.1 施工工藝流程

中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)掘進(jìn)工作面采用濕式打眼、全斷面一次光面爆破法掘進(jìn)作業(yè)，“三·八”制作業(yè)（兩掘兩錨網(wǎng)一噴），ZCY100R側(cè)卸式裝巖機(jī)裝渣至U型翻斗車運(yùn)輸，永久水溝及時(shí)施工，一次成巷的施工工藝。施工工藝：打眼→裝藥爆破→敲幫問(wèn)頂、查炮→側(cè)卸式裝巖機(jī)平渣、出矸→頂板錨網(wǎng)索支護(hù)→出底矸石→兩幫錨網(wǎng)支護(hù)→噴漿→釘?shù)馈┕に疁稀?/p>

圖1 中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)平面圖

表1 巷道斷面尺寸表

2.2 爆破工藝

2.2.1 鑿巖

本采用濕式鉆眼爆破法破巖，采用MQT-130型錨桿機(jī)打頂部錨桿和錨索眼，頂部鉆桿采用B19×1.2 m和B19×2.2 m型，鉆桿鉆頭采用金剛石兩儀PDC型φ28 mm；YT-28型風(fēng)鉆打幫部錨桿眼及炮眼，鉆桿采用六角中空B22 mm×2.2 m型成品釬子,幫部錨桿眼鉆頭采用一字28 mm型，炮眼鉆頭采用一字φ42 mm型。

2.2.2 爆破器材及裝藥結(jié)構(gòu)

爆破掘進(jìn)選用采用楔型掏槽法，選用煤礦安全許用三級(jí)乳化炸藥，煤礦許用毫秒延期電雷管，I～V段。最后一段的延期時(shí)間不得超過(guò)130 ms，電雷管必須編號(hào)；炮泥采用水炮泥和黃泥；選用正向連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，裝藥前要將迎頭20 m范圍內(nèi)的電源切斷，裝藥時(shí)嚴(yán)禁從事其它與裝藥無(wú)關(guān)的工作，每裝一個(gè)炮眼后要將雷管腳線扭結(jié)短路并懸空。中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)正向裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2（以輔助眼為例）。

起爆使用MFB-200型發(fā)爆器，采用全斷面一次爆破，聯(lián)線方式為串聯(lián)聯(lián)線。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 炮孔深度

炮眼深度是指孔底到工作面的距離，是確定掘進(jìn)循環(huán)勞動(dòng)量和勞動(dòng)組織的主要參數(shù)，它的確定取決于巖性、巷道斷面規(guī)格、循環(huán)作業(yè)方式、炸藥威力等因素來(lái)。炮眼深度越大，可降低爆破材料的消耗量，但會(huì)使鑿巖速度顯著降低，巖石爆破后塊度不均，影響爆破效果。炮孔深度也要結(jié)合鑿巖機(jī)的性能，采用氣腿式鑿巖機(jī)鉆眼時(shí)，孔深合理范圍取為1.5、2.5 m，在超過(guò)該范圍以后，巖體的夾制作用增強(qiáng)導(dǎo)致鉆眼效率降低。

可根據(jù)循環(huán)組織確定炮孔深度[3]為：

式中:T為每循環(huán)時(shí)間，h；t為其他工序非平行作業(yè)時(shí)間，h；Kd為同時(shí)工作的鑿巖機(jī)臺(tái)數(shù)；KP為鉆孔與裝巖的非平行作業(yè)時(shí)間系數(shù)，KP≤1；N為炮孔數(shù)目；Pm為裝巖機(jī)生產(chǎn)效率，m3/h；ηm裝巖機(jī)的時(shí)間利用率；Vb為每臺(tái)鑿巖機(jī)的鉆孔速度，m/h。

2.2.4 炮孔直徑

炮孔直徑應(yīng)當(dāng)與藥卷直徑、鑿巖機(jī)具相適應(yīng)，直徑越大，利于爆速和爆炸穩(wěn)定性的提高，但也會(huì)導(dǎo)致鉆眼效率降低，同時(shí)使炮眼數(shù)目變少，導(dǎo)致爆落巖塊較大，破碎質(zhì)量差。我國(guó)目前普遍藥卷直徑為32 mm和35 mm，因此炮孔直徑一般為38 mm和45 mm。

2.2.5 炸藥消耗量

炸藥消耗量可按以下公式計(jì)算：

式中:q為單位炸藥消耗量，根據(jù)普式系數(shù)f≤1，參考經(jīng)驗(yàn)公式取1.04 kg/m3；S為巷道掘進(jìn)段面積，m2；L為炮孔平均深度，m；η為炮孔利用率。

2.2.6 炮孔數(shù)目

炮眼數(shù)目直接影響每循環(huán)鑿巖時(shí)間、爆破效果和巷道成型等。炮眼過(guò)少，巷道輪廓不規(guī)整，炮孔利用率低，巖石塊度大。炮眼過(guò)多，炸藥將過(guò)于集中于孔底，將導(dǎo)致爆落巖塊不均勻。

炮孔數(shù)目也可以按公式計(jì)算：

式中：N為炮孔個(gè)數(shù)，個(gè)；a為裝藥系數(shù)，取0.5～0.7；p每個(gè)藥卷質(zhì)量，kg；m為每個(gè)藥卷長(zhǎng)度，mm。

2.2.7 炮眼間距

眼間距取決于斷面巖性、炮眼直徑和炸藥性能等因素，直接影響到爆破效果。當(dāng)炮眼裝藥量已定時(shí)，炮眼間距過(guò)大，相鄰炮孔共同影響較弱，將出現(xiàn)明顯的炮眼根底；炮眼間距過(guò)小，則爆破作用過(guò)度重疊，炸藥利用率低，還會(huì)拋渣過(guò)遠(yuǎn)。掏槽眼與輔助眼之間及各同類炮孔的間距在400～600 mm的范圍，其最小抵抗線為眼間距的70%～100%。底部炮孔間距一般為500～700 mm，考慮爆破碎石堆積，爆破負(fù)荷較大，其間距相應(yīng)的減??；周邊眼間距要小些，采用不耦合裝藥。底眼及周邊眼炮孔應(yīng)該向巷道外側(cè)偏移一定的角度，克服炮孔的夾制作用。

2.3 爆破參數(shù)

通過(guò)上述爆破參數(shù)選取規(guī)則確定最終的中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)1-1、2-2、3-3斷面爆破參數(shù)見(jiàn)表2；炮孔布置見(jiàn)圖3。

表2 爆破參數(shù)表

圖3 炮孔布置圖

3 水倉(cāng)掘進(jìn)工作面支護(hù)工藝

3.1 巷道支護(hù)控制策略

破碎巷道圍巖從開(kāi)挖暴露，到完全喪失穩(wěn)定性而產(chǎn)生冒落的時(shí)間極短，巷道開(kāi)掘后，需要及時(shí)實(shí)施支護(hù)，不然巷道斷面將急劇變形[4]；破碎軟巖巷道支護(hù)中，由于巷道圍巖節(jié)理、裂隙極為發(fā)育，在高構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖體極易沿結(jié)構(gòu)面剪切滑移，加之局部圍巖在水體作用下泥巖迅速膨脹、弱化，使錨桿支護(hù)承載結(jié)構(gòu)迅速破壞、失效，造成巷道錨網(wǎng)支護(hù)整體垮塌[5]。根據(jù)破碎圍巖的支護(hù)難點(diǎn)，提出了以下控制策略：

1）采用高強(qiáng)度、可延伸的錨桿索，通過(guò)較大的支護(hù)阻力來(lái)控制圍巖塑性區(qū)及破碎區(qū)發(fā)展，可以很大程度上減小圍巖變形[6]；增大錨桿索預(yù)緊力，在高預(yù)緊力條件下,錨桿支護(hù)產(chǎn)生支護(hù)應(yīng)力更大,形成了幾乎覆蓋整個(gè)頂板的有效壓應(yīng)力區(qū),充分發(fā)揮錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用[7]。

2）通過(guò)噴漿來(lái)提高圍巖強(qiáng)度，封閉水源、隔絕空氣，提高圍巖的自承能力。

3）合理的支護(hù)時(shí)機(jī)和二次支護(hù)。巷道進(jìn)行支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)需要根據(jù)圍巖內(nèi)部的破碎區(qū)和塑性區(qū)范圍來(lái)確定，根據(jù)前人的研究[8]得出巷道在未進(jìn)行支護(hù)時(shí)圍巖允許的最大變形量為URO，當(dāng)圍巖的變形量u＞URO時(shí)，巷道圍巖內(nèi)部將產(chǎn)生破碎而導(dǎo)致巷道逐漸失穩(wěn)破壞，這便是理論最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。

大量的工程實(shí)踐表明對(duì)于極破碎圍巖僅用一次支護(hù)特別是強(qiáng)剛性支護(hù)是不能獲得成功的,原因是其不能適應(yīng)圍巖初期變形量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此,錨噴網(wǎng)一次支護(hù)主要是提高圍巖松動(dòng)圈內(nèi)破裂巖石的殘余強(qiáng)度，提高圍巖的自承能力，以保證巷道在安全的條件下允許圍巖在釋放變形壓力，以適應(yīng)其碎脹變形力學(xué)機(jī)制，因此為了保證巷道的穩(wěn)定需要進(jìn)行二次支護(hù)，二次支護(hù)是當(dāng)一次支護(hù)圍巖穩(wěn)定后根據(jù)巷道開(kāi)挖后檢測(cè)情況確定。

3.2 巷道支護(hù)方案

3.2.1 臨時(shí)支護(hù)

采用5根前探梁作為臨時(shí)支護(hù)，一律采用“一梁兩環(huán)”；前探梁采用3寸厚壁鋼管制作，長(zhǎng)度4 m。刷紅白相間漆，間隔400 mm；吊環(huán)采用6寸厚壁鋼管制作，長(zhǎng)度80 mm，上焊接與錨桿配套的高強(qiáng)螺帽，并焊接牢固，刷天藍(lán)漆。迎頭前探梁用方木背實(shí)接頂，并用木楔加緊。方木規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×厚=2 000 mm×15 040 mm。

3.2.2 永久支護(hù)

中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)永久支護(hù)方式采用雙層錨網(wǎng)索錨噴支護(hù)，（其中2-2斷面有扶手，扶手位于巷道前進(jìn)方向右側(cè)；具體支護(hù)參數(shù)如下：

1）錨桿：錨桿采用φ22 mm×2 400 mm，錨桿桿體為螺紋鋼筋其屈服強(qiáng)度≥335 MPa、抗拉強(qiáng)度≥380 MPa，單根錨桿錨固力不小于80 kN。錨桿預(yù)緊力200 kN。布置方式為矩形布置，錨桿外露15～50 mm，托盤(pán)選用Q235型鋼規(guī)格150 mm×150 mm×8 mm；錨桿間排距800 mm×800 mm（1-1、2-2、3-3一次支護(hù)和絞車硐室永久支護(hù)），1-1、2-2、3-3斷面二次支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)錨桿間排距1 200 mm×1 600 mm。每根錨桿使用1支MSK25/35樹(shù)脂錨固劑和2支MSZ25/35樹(shù)脂錨固劑固定，其中MSK25/35樹(shù)脂錨固劑在內(nèi)側(cè)MSZ25/35樹(shù)脂錨固劑在外側(cè)。錨桿懸高距底板距離不得超過(guò)300 mm，當(dāng)距離超過(guò)規(guī)定必須補(bǔ)打錨桿。

2）金屬網(wǎng)：網(wǎng)片采用φ6 mm的鋼筋網(wǎng)制作,規(guī)格為1 mm×2 m，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，網(wǎng)間搭接100 mm，每隔200 mm用雙股14號(hào)鐵絲綁扎。

3）錨索：規(guī)格為φ17.8 mm鋼絞線，錨索型號(hào)φ17.8 mm×5 300 mm，托盤(pán)采用Q235鋼規(guī)格280 mm×280 mm×20 mm，外露150～250 mm;錨索3排布置，頂（中部1排）、兩側(cè)各1排，錨索間排距為1 200 mm×2 400 mm、交岔點(diǎn)段未加強(qiáng)支護(hù)，錨索間排距為1 200 mm×1 600 mm，每根錨索使用1支MSK25/35樹(shù)脂錨固劑和4支MSZ25/35樹(shù)脂錨固劑固定，其中MSK25/35樹(shù)脂錨固劑在內(nèi)側(cè)，MSZ25/35樹(shù)脂錨固劑在外側(cè)，單根錨索預(yù)拉力不小于150 kN，及時(shí)補(bǔ)打錨索加強(qiáng)支護(hù)。地質(zhì)構(gòu)造段，增加錨索長(zhǎng)度及支護(hù)密度。

4）噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，噴厚100、150 mm（二次支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)）。鋪底混凝土不低于C25。

中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)1-1、2-2、3-3支護(hù)斷面見(jiàn)圖4。

圖4 巷道斷面支護(hù)圖

4 礦壓監(jiān)測(cè)分析

為了評(píng)價(jià)支護(hù)方案優(yōu)化后的實(shí)際效果，對(duì)錨桿、錨索進(jìn)行受力檢測(cè)，錨索預(yù)緊力檢測(cè)與錨桿檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行，抽取3根錨桿和2根錨索為一組進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到錨桿索受力監(jiān)測(cè)見(jiàn)圖4。

圖5 錨桿索應(yīng)力監(jiān)測(cè)

從圖4中可看出錨桿、錨索的總體受力在逐步上升，而后逐步趨于穩(wěn)定。錨桿受力在前15 d增加速率較快，后趨勢(shì)逐漸緩慢；錨索受力在前30 d內(nèi)增加速率較快，后來(lái)慢慢趨于穩(wěn)定。錨桿的受力最大值約為160 kN，受力最大值出現(xiàn)在拱頂；幫部錨桿的受力最大值約為150 kN；錨索的受力最大值約為240 kN，出現(xiàn)在拱頂，幫部錨索的受力值略小。從中可以說(shuō)明巷道變形最后也趨于穩(wěn)定，支護(hù)效果較好。

5 結(jié) 論

1）本文對(duì)錦源煤礦中央內(nèi)環(huán)水倉(cāng)掘進(jìn)工作面施工工藝進(jìn)行研究，確定了采用了濕式打眼、全斷面一次光面爆破法掘進(jìn)作業(yè)，并研究了工作面掘進(jìn)爆破參數(shù)：炮眼間距、單孔裝藥量、炸藥消耗量、炮孔深度、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式等。

2）針對(duì)水倉(cāng)工作面圍巖節(jié)理、裂隙極為發(fā)育的情況，分析了巷道支護(hù)控制策略：提高錨桿索預(yù)緊力、支護(hù)阻力及噴漿封閉圍巖；選擇合理支護(hù)時(shí)機(jī)，采用二次支護(hù)。最終確定了使用雙層錨網(wǎng)索錨噴支護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巷道錨桿索受力監(jiān)測(cè)顯示：圍巖穩(wěn)定性較好，錨桿索受力在正常范圍內(nèi)，支護(hù)效果較好。