二采區(qū)回風巷過斷層施工工藝及支護技術

張鵬珍

（晉能控股煤業(yè)集團四侯煤礦，山西 晉城 048100）

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團四侯煤礦二采區(qū)回風巷由南向北開拓掘進，巷道西部為膠帶輸送機大巷，南部為人行大巷（進風巷），東部為一采區(qū)采空區(qū)，與采空區(qū)預留保安煤柱寬度為27 m。二采區(qū)回風巷設計掘進長度1450 m，巷道為矩形斷面，凈寬為5.0 m，凈高為4.0 ，沿3#煤層頂板掘進。煤層平均厚度為4.65 m，平均傾角為3°，堅固性系數(shù)為f=3.37，硬度f=3～4，煤層屬硬煤層，容重1.45 t/m3，煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 二采區(qū)回風巷3#煤層頂?shù)装鍘r性表

二采區(qū)回風巷掘進至760 m 處，揭露F351 正斷層，走向近東西向，傾向南，傾角70°，落差3.2 m，對巷道掘進影響長度為47 m；巷道掘進至755 m 處時進入斷層應力區(qū)，巷道頂板及兩幫破碎嚴重；當巷道掘進至760 m 處時在構造應力以及鄰近采空區(qū)殘余應力作用下，位于采空側巷幫出現(xiàn)嚴重片幫現(xiàn)象，并伴隨肩角煤柱垮落，造成斷層區(qū)巷道頂板成“尖錐”狀，頂板支護難度大、支護效果差。

2 斷層區(qū)巷道施工工藝優(yōu)化

由于原二采區(qū)回風巷采用的矩形斷面承載能力低，在應力作用下易出現(xiàn)變形，所以決定對斷層區(qū)巷道斷面進行優(yōu)化，巷道布置為拱形斷面，并采用分層爆破施工工藝[1-5]。

（1）二采區(qū)回風巷斷層區(qū)拱形巷道寬度為5.0 m，高度為4.0 m，其中拱高為2.5 m，拱基高為1.5 m。巷道拱形段頂板采取W 型鋼帶、錨桿、鋼筋網(wǎng)、錨索進行聯(lián)合支護，拱基段采取單錨桿支護。

（2）原巷道采用EBZ260 型掘進機掘進，單茬全斷面掘進深度為1.0 m。由于巷道斷面大，掘進后不能及時對頂板支護，且全斷面掘進時斷層區(qū)圍巖在集中應力作用下很容易出現(xiàn)蠕動變形破壞作用，所以決定對拱形段采取分層爆破施工工藝。

（3）巷道分層爆破時拱基段采取全斷面光面爆破，規(guī)格為長×高=5.0 m×1.5 m，拱形段采取松動爆破，拱基段共計布置32 個爆破孔，其中掏槽孔4 個，深度為1.5 m，輔助孔8 個，深度為1.3 m，周邊孔20 個，深度為1.3 m。

（4）拱形段共計布置20 個松動爆破孔，鉆孔深度為1.0 m，鉆孔垂直迎頭巖體，在拱形段中部布置兩個掏槽孔（孔深1.5 m），與拱基段同步爆破，實現(xiàn)對松動爆破巖體超前爆破預裂。

（5）光面爆破孔內填裝三段毫秒延期電雷管（1段、3 段、5 段），松動爆破孔填裝兩段毫秒延期電雷管（1 段、5 段），延期時間為130 ms，光面爆破孔中輔助、周邊孔單孔裝藥量為0.9 kg，掏槽孔單孔裝藥量為1.2 kg，松動爆破孔單孔裝藥量為

0.6 kg。

（6）先進行全斷面光面爆破，爆破時將拱形段掏槽孔同步爆破，后進行掏槽爆破，松動爆破時按先輪廓后中部的順序，爆破后及時對拱形段頂板進行支護。

3 斷層區(qū)巷道加強支護技術

3.1 深孔帷幕注漿加固

為提高拱形頂板承載能力以及加固采空區(qū)側巷幫圍巖，決定對斷層區(qū)巷道采取深孔帷幕注漿加固。

（1）帷幕注漿孔參數(shù)。鉆孔深度為10 m，直徑為45 mm，鉆孔采用液壓鉆機配套中空鉆桿以及直徑為45 mm 合金鋼鉆頭施工。拱形頂板共計布置5 個鉆孔（1#～5#），采空區(qū)巷幫共計布置兩個（6#～7#），其中4#、5#、6#、7#四個鉆孔向采空區(qū)側偏角為30°。

（2）注漿材料。目前注漿材料主要分為有機材料和無機材料，有機材料如馬麗散、聚氨酯、雷特因等，無機注漿材料如水泥砂漿、粉煤灰等。但是在實際應用中發(fā)現(xiàn)，有機注漿材料具有成本費用高、反應過程中產(chǎn)生大量熱量等缺點，而無機注漿材料具有滲透能力差、凝固時間長等缺點。二采區(qū)回風巷決定采用以水泥熟料為主料，以石膏、生石灰為輔料的新型注漿材料，各成分配比見表2。

表2 新型注漿材料各成分配比

（3）注漿工藝。采用雙通注漿泵進行注漿施工，先將主料、輔料分別加入攪拌桶內，然后對兩種基料分別加入減水劑、速凝劑、增稠劑并均勻攪拌，最后采用注漿泵進行高壓注漿施工。為了提高注漿效果，注漿前對注漿鉆孔進行封孔處理，注漿壓力為4.5 MPa。

3.2 水力膨脹錨桿施工

由于受采空區(qū)影響，二采區(qū)回風巷采空區(qū)側巷幫收斂、破碎，而采用傳統(tǒng)錨桿支護時錨桿預應力無法有效傳遞至穩(wěn)定巖體內，錨桿支護效果差、失效率高，所以決定對巷幫采取水力膨脹錨桿支護。

（1）支護原理。將水力膨脹錨桿錨固在巖體中，然后對錨桿高壓注水，當水壓大于膨脹錨桿桿體屈服強度時，桿體膨脹變形被鑲嵌在巖體中。桿體膨脹過程中與巖體之間產(chǎn)生極大摩擦力，同時對鉆孔附近破碎巖體進行擠壓形成擠壓受力圈，從而減小卸壓空間，控制圍巖裂隙范圍擴大，如圖1。

圖1 水力膨脹錨桿支護原理圖

（2）支護結構。水力膨脹錨桿主要由錨固端、桿體、收縮固定骨架、玻璃鋼托盤、注水嘴、擋圈等部分組成。桿體長度為2.0 m，直徑為20 mm，桿體膨脹系數(shù)為1.4，桿體屈服強度為280 MPa。

（3）支護工藝。① 每排布置3 根水力膨脹錨桿，錨桿布置間距為1.0 m，上部錨桿以10°仰角布置，中部錨桿垂直布置，下部錨桿以10°俯角布置；②錨桿錨固后采用螺母進行預緊，然后在其外露端依次安裝擋圈、注水嘴并與注水泵連接；③ 注水時注水最大壓力為18 MPa，當注水壓力達10 MPa 時穩(wěn)壓10 min，注水完成后開泵卸壓放水。

3.3 支設U29 型鋼棚

（1）為了提高拱形圍巖承載強度，對拱形段巷道支設U29 型鋼棚進行加強支護。鋼棚從過斷層前2.0 m 處開始架設，直至過斷層后2.0 m 停止架設，架設間距為1.0 m，共計架設51 架。

（2）U29 型鋼棚主要由弧形頂梁、U29 型棚腿、抱箍、底座、防倒拉桿等部分組成。棚腿緊貼巷幫支設，棚腿安裝后采用錨桿進行固定；弧形頂梁由三節(jié)組成，相鄰連接采用對插式安裝，對插深度為0.4 m，對插后采用抱箍進行固定。

（3）鋼棚安裝時保證頂梁與頂板之間預留0.2 m 間隙，所有鋼棚安裝后在間隙處填充長度為1.2 m 水泥背板，相鄰兩架鋼棚棚腿、頂梁之間采用六組防倒欄桿固定，如圖2。

圖2 二采區(qū)回風巷斷層區(qū)聯(lián)合支護示意圖（mm）

4 結語

（1）對過斷層區(qū)巷道斷面優(yōu)化為拱形斷面，提高了拱頂承載強度，與錨桿（索）支護形成的應力拱聯(lián)合抗壓。

（2）采取分層爆破施工工藝，解決了機械全斷面掘進以及全斷面爆破時，受擾動影響嚴重以及圍巖破碎、垮落等技術難題。

（3）對斷層區(qū)采取聯(lián)合支護技術，提高了圍巖承載強度，防止在集中應力作用下圍巖破碎現(xiàn)象。巷道在后期兩幫收縮量僅0.21 m，采空區(qū)側巷幫僅局部收縮，但未出現(xiàn)斷裂、垮落。