巷道過斷層群區(qū)施工工藝及支護(hù)技術(shù)

牛偉旗

（長春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037101）

掘進(jìn)圍巖受斷層牽引力影響兩盤附近巖體出現(xiàn)破碎、斷裂、裂隙發(fā)育等現(xiàn)象，巷道在過斷層時(shí)不僅掘進(jìn)效率低、支護(hù)難度大，而且很容易出現(xiàn)頂板冒漏、兩幫垮落等事故，制約著巷道安全快速掘進(jìn)。巷道掘進(jìn)期間，傳統(tǒng)主要采用機(jī)械化掘進(jìn)及錨桿（索）支護(hù)，在大斷層或多斷層區(qū)采用機(jī)械化掘進(jìn)時(shí)，巷道掘進(jìn)進(jìn)度控制難度大且受機(jī)械擾動影響大，巷道掘進(jìn)后成型效果差且圍巖垮落嚴(yán)重。傳統(tǒng)錨桿（索）主要利用端頭錨固方式固定在圍巖中，對桿體施加預(yù)應(yīng)力達(dá)到支護(hù)梁（拱）的作用，但是對于斷層區(qū)圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育，單一的錨桿（索）支護(hù)時(shí)錨固效果差，在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)支護(hù)失效嚴(yán)重，達(dá)不到預(yù)期支護(hù)效果。本文以長春興煤礦603 運(yùn)輸順槽為研究背景，對巷道掘進(jìn)過斷層群期間施工工藝及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化[1-5]。

1 概述

603 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)長度為2600 m，巷道沿井田南盤區(qū)東西走向布置，巷道掘進(jìn)煤層為22#煤層，平均厚度為9.5 m，傾角為2°，煤層硬度為2～3，可采指數(shù)為1，變異系數(shù)為11.57%，煤的容重為1.4 t/m3，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸3～4 層。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 603 回風(fēng)順槽掘進(jìn)的22#煤層頂?shù)装鍘r性表

603 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)為矩形斷面，掘進(jìn)寬度為4.2 m，高度為4.0 m，采用EBZ260 型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)。巷道掘進(jìn)至670 m 處進(jìn)入F2-F6 斷層群區(qū)，共計(jì)長度為54 m，揭露5 條斷層，全部為正斷層，平均斷距為1.2 m，傾角為52°。受斷層集中應(yīng)力影響，巷道進(jìn)入斷層群區(qū)后圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道掘進(jìn)至682 m 處時(shí)頂板中部出現(xiàn)局部冒漏，兩幫及頂?shù)装逯g移近量最大達(dá)0.5 m，巷道斷面收縮量達(dá)17%，巷道掘進(jìn)速度降低至1.5 m/d。

2 斷層群區(qū)施工工藝優(yōu)化

巷道過斷層群區(qū)采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)分層掘進(jìn)，在掘進(jìn)過程中很容易出現(xiàn)圍巖垮落現(xiàn)象，所以決定采用分層爆破施工工藝。

1）在巷道迎頭施工管棚支護(hù)后，布置分層爆破孔，分上下兩個(gè)分層，上分層布置松動爆破孔，下分層布置光面爆破孔。

2）上分層斷面寬×高=4.2 m×1.5 m，上分層斷面布置2 排松動爆破鉆孔，鉆孔垂直煤壁布置，深度為1.0 m，直徑為35 mm，每排5 個(gè)。第一排布置在管棚支護(hù)體下方0.3 m 處，第二排與第一排布置排距為1.0 m，孔間距為0.8 m。

3）下分層斷面寬×高=4.2 m×2.5 m，下分層共計(jì)布置28 個(gè)炮孔，其中掏槽孔4 個(gè)，深度為1.8 m，輔助孔8個(gè)，深度為1.6 m，周邊孔16個(gè)，深度為1.6 m。

4）上分層松動爆破孔裝藥量為0.3 kg/孔，水炮泥封孔長度為0.5 m；下分層掏槽孔裝藥量為0.9 kg/孔，其他鉆孔裝藥量為0.6 kg/孔，水炮泥封孔長度不低于0.5 m。所有炮孔內(nèi)填裝一支毫秒延期電雷管，采用正向裝藥方式，雷管采用串聯(lián)連接方式。

5）采用先下分層后上分層的順序依次裝藥、爆破。下分層爆破后及時(shí)清理煤矸，使上斷面具有足夠爆破震動自落空間。上分層松動爆破時(shí)每次爆破炮孔數(shù)量不得超過3 個(gè)。

6）一個(gè)斷面爆破施工后，利用風(fēng)鎬人工對巷道輪廓欠挖部分進(jìn)行修理，巷道單茬掘進(jìn)深度為0.8 m，爆破掘進(jìn)后及時(shí)對頂板施工錨桿（索）永久支護(hù)。

3 斷層群區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

3.1 超前帷幕注漿

為了提高斷層區(qū)圍巖整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)破碎圍巖膠結(jié)、重組的目的，決定對斷層群區(qū)圍巖采取超前帷幕注漿施工。

1）巷道迎頭每排布置8 個(gè)帷幕注漿孔，其中頂板4 個(gè)，兩幫各2 個(gè)。所有鉆孔深度為6.0 m，直徑為45 mm。其中頂鉆孔布置在距頂板0.5 m 煤壁上，鉆孔布置仰角為15°，鉆孔間距為1.0 m；幫注漿鉆孔布置間距為1.0 m，第一個(gè)鉆孔與頂板間距為0.5 m，鉆孔向幫側(cè)偏角為5°。

2）帷幕注漿鉆孔施工完后對鉆孔內(nèi)進(jìn)行注漿，注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿為主，采用礦用高強(qiáng)度硅酸鹽水泥，水玻璃濃度為40° Bé，水泥漿與水玻璃濃度比為1:0.8。為了提高漿液凝固速度，以食鹽、三乙醇胺作為外添加劑起到速凝作用。

3.2 超前管棚支護(hù)

為了防止爆破掘進(jìn)時(shí)受震動以及應(yīng)力等作用造成圍巖超前破碎垮落，巷道帷幕注漿后對迎頭施工超前管棚支護(hù)。

1）管棚支護(hù)體采用長度為5.0 m、直徑為42 mm 無縫中空鋼管，管壁厚度為4 mm，每排布置10 根，布置間距為0.4 m。管棚支護(hù)體施工在頂板往下0.2 m 處并垂直迎頭煤壁布置，相鄰兩排管棚搭接長度為1.0 m。

2）管棚支護(hù)體外露長度控制在0.3～0.5 m 范圍內(nèi)，巷道掘進(jìn)后通過鋼帶、錨桿（索）將其固定在頂板上。管棚支護(hù)在支護(hù)時(shí)利用桿體為承載機(jī)構(gòu)與煤柱之間形成連續(xù)穩(wěn)定的梁效應(yīng)，起到超前支護(hù)的目的。

3.3 架棚、噴漿支護(hù)

1）603 運(yùn)輸順槽進(jìn)入斷層群區(qū)后，開始架設(shè)密集U29 型工字鋼棚，鋼棚為矩形斷面，每架鋼棚由2 根U29 型棚腿、1 根工字鋼頂梁、3 組連接桿、卡纜若干等部分組成，如圖1。

2）鋼棚安裝間距為1.0 m，棚腿腳采用螺紋鋼錨桿與幫部固定，棚腿上端焊接1 塊“U”型槽，工字鋼頂梁卡在“U”型槽上。每架鋼棚頂梁上布置3 個(gè)槽口，鋼棚安裝后在相鄰三架鋼棚之間安裝3 根長度為2.0 m 槽鋼，槽鋼安裝在槽口內(nèi)起到防倒、防傾斜作用。

3）架棚支護(hù)后對架棚區(qū)頂板及幫部高壓噴射混凝土覆蓋，分為初噴和復(fù)噴，初噴厚度為50 mm，復(fù)噴后厚度達(dá)到150 mm，噴漿時(shí)采用分段、分片由下而上的順序進(jìn)行噴射?；炷林懈髁希ㄋ?、砂子、石子、速凝劑）用量配比必須符合設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

1）提高了巷道掘進(jìn)速度

603 運(yùn)輸順槽過斷層群區(qū)采用分層爆破施工工藝后，下分層光面爆破為上分層提供自落空間，避免機(jī)械全斷面掘進(jìn)時(shí)割煤量大、頂板擾動破壞嚴(yán)重現(xiàn)象。通過現(xiàn)場觀察，每爆破一茬進(jìn)度為0.9 m，用時(shí)為2.5 h，巷道掘進(jìn)速度可提高至5.4 m/d。

2）提高了圍巖穩(wěn)定性

603 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至740 m 處，巷道已過斷層群區(qū)，在670～720 m 范圍內(nèi)布置1 個(gè)測站，測站頂板安裝1 臺YH-300 型數(shù)字顯示離層儀，幫部安裝紅外位移監(jiān)測儀，通過20 d 現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：

① 斷層群區(qū)巷道掘進(jìn)后0～6 d 內(nèi)頂板塑性變形嚴(yán)重，頂板下沉量為120 mm；在6～12 d 內(nèi)，聯(lián)合支護(hù)逐漸起到耦合支護(hù)作用，頂板下沉量為170 mm；在12 d 后頂板趨于穩(wěn)定，如圖2。期間未出現(xiàn)頂板錨桿（索）破斷、失效等現(xiàn)象，在第7 d 巷道內(nèi)架設(shè)的鋼棚受力加大，局部鋼棚頂梁出現(xiàn)彎曲，但未出現(xiàn)斷裂變形。

圖2 支護(hù)優(yōu)化后斷層群區(qū)圍巖變形曲線圖

② 通過幫部紅外位移監(jiān)測儀監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在0～5 d 內(nèi)兩幫收縮現(xiàn)象嚴(yán)重，收縮量達(dá)210 mm，在5～11 d 內(nèi)幫部收縮量逐漸減小，11 d 后兩幫移近量趨于穩(wěn)定，最大移近量為260 mm。

5 結(jié)語

603 運(yùn)輸順槽過斷層群區(qū)施工工藝及支護(hù)技術(shù)優(yōu)化后，提高了巷道掘進(jìn)速度，由原來的1.5 m/d提高至5.4 m/d，有效控制了斷層群區(qū)圍巖變形、破碎、下沉現(xiàn)象，巷道成型效果好，巷道變形率由支護(hù)優(yōu)化前的17%降低至5%以下。實(shí)際應(yīng)用效果表明，優(yōu)化后的施工工藝及支護(hù)技術(shù)能夠適用于大變形、高應(yīng)力以及特殊區(qū)域巷道掘進(jìn)中，取得了顯著應(yīng)用成效。