大斷面巷道過斷層破碎帶支護技術

崔占鰲

(同煤集團宏泰公司，山西 晉中 037003)

0 引言

塔山機掘第二項目部在掘進生產實踐中遇到斷層很多，由于煤層結構問題，巷道支護困難，且變化較大。尤其在二盤區5216順槽巷及5216工作面切巷施工過程中，遇到大斷層群等諸多地質構造，對施工進度造成了極大的影響。

1 工程概況

塔山煤礦主采的3#～5#煤，埋深300～500 m，厚度1.63～29.21 m，平均15.72 m，屬特厚煤層。層理、節理發育。由于受火成巖侵入的影響，煤層上部存在1～6 m的硅化變質煤。又由于煌斑巖侵入體的穿插破壞，煤層受熱變質或硅化，在垂向上形成煌斑巖、硅化煤、混煤、正常煤等多種成分的非常復雜的結構[1]。在煌斑巖下方形成的混煤結構較為疏松，性脆易碎，且地質構造復雜，斷層較多。遇到斷層等地質構造時巷道管理難度極大，嚴重影響了巷道掘進。

掘進隊施工的5216順槽巷于2015年1月開始進入切巷施工，切眼頂板高度3.8 m，寬5 m，頂板為煤，破碎嚴重，各種斷層都有。由于受地質構造影響造成局部頂板破碎，悶響聲頻繁，頂板上覆煤層局部錯位，根據現場施工長5 300 mm的錨索支護發現頂板從0～4.5 m范圍內煤體破碎，頂板疏松，原有的前掘支護、錨桿錨索及超前鋼針等多種單一的施工工藝都無法滿足支護要求。

2 圍巖控制技術

2.1 斷層對支護的影響

斷層對錨索網支護的影響較大，主要影響有三個方面：一是斷層的活化影響；二是斷層破碎帶本身的穩定性差；三是含水破碎圍巖的可錨性差[2]。對于與巷道正交或斜交的斷層，由于上覆巖層大的結構是穩定的，斷層的活化影響較小。如果斷層破碎帶圍巖本身是穩定的，則只要采取一定的錨索網支護技術措施，可以保證巷道的正常使用。如果斷層走向與巷道軸向平行，則要考慮斷層活化和斷層破碎帶圍巖本身的穩定性問題。

就斷層的性質來說，斷層分正斷層和逆斷層。根據煤層和斷層的產狀存在兩種情況：一是煤層斷在巷道的上方；二是煤層斷在巷道的下方。根據不同的圍巖地質構造，不同形式的斷層實施錨網索支護原則為：煤在巷道上方時，后退挑頂；煤在巷道下方時，后退臥底[3]。

斷層破碎帶的圍巖壓力的分布與其產狀是密切相關的，有3條規律。①對上盤巖層基本無影響或很少；②斷層破碎帶壓力主要影響下盤巖層，且傾角越小影響范圍越大；③以傾角45°為臨界角，小于45°時，壓力影響主要表現在下盤巖層；大于45°時，主要表現在破碎帶內下盤邊緣處。

2.2 圍巖控制原理

采用圍巖強化控制原理控制特大斷層破碎帶巷道的施工安全和長期穩定[4-5]，包括4個方面。

圍巖強度的強化：通過化學粘接材料使斷層破碎帶內松散圍巖形成一個整體，提高斷層破碎帶內松散圍巖的強度[6]。

超前支護：通過在煤體中預打鋼針，能夠將已使用化學粘接材料粘接成整體的松散圍巖通過超前插鋼針將其固定在巷道頂部，有效地防止了松散巖體的垮落[7]。

噴漿：割完一循環后及時組織噴漿，使初噴緊跟工作面，將破碎圍巖(煤體)與空氣隔絕防止破碎圍巖(煤體)風化，提高破碎圍巖(煤體)的強度，初噴厚度不小于80 mm。

支護圍巖承載結構的強化：通過U29鋼棚二次支護，使巷道支護進一步加強，提高支護圍巖結構的整體穩定性。

2.3 圍巖控制技術

預注化學粘接材料技術：在施工迎頭拱頂區扇形預注化學粘接材料，對預開挖區2～6 m范圍內的巖體加固，提高巷道頂板區域圍巖的整體穩定性及施工通過能力，降低水對圍巖力學性質的影響。化學注漿材料馬麗散NS是由兩種組分組成的無機復合材料，兩種組分按照1∶1的體積比混合發生反應[8]。混合后反應生成一種有彈性、不發泡、壓縮力大的塊狀聚合物。當混合物被注入煤巖體后，會滲透到裂隙和空隙中并發生固化，與煤巖體產生高度粘合，可承受地壓的長期作用。采用高壓灌注時由于其初始粘度低，在高壓推擠下混合液體沿煤巖、層裂隙延展滲透至所有裂隙(包括肉眼難以覺察的裂縫及在高壓作業下重張開的微小裂隙)，反應后固化物的良好柔韌性和粘合強度不僅保證了煤巖體受壓變形時不會開裂(適合應用在高早強和高韌性的地層固化)，并且阻燃性能優異、遇水不發泡、產品反應不受水的影響、反應溫度低、反應后早期強度較高等。馬麗散基本成分性能見表1，馬麗散聚合性能見表2。

表1 馬麗散基本成分性能

表2 馬麗散聚合性能

注馬麗散鉆孔：在工作面正前方頂部及兩腮角范圍注漿加固巷道頂板，為后期掘進施工做準備。從5216順槽巷正前方開始布置注馬麗散鉆孔，在距離頂板0.5 m位置開孔，孔距離1 m，仰角45°，孔深6 m，前端放置2個注射花管，封孔在距離孔口1.5 m位置。如果出現注不進的情況，可以調整注漿孔角度和深度，盡量保證單孔注漿量不少于10組。鉆孔施工平面圖如圖1所示。

圖1 鉆孔施工平面圖

采用預注鋼針法解決掘進超前支護：先注化學粘接材料將超前破碎圍巖固化為整體后，再沿巷道頂板輪廓線的角度打一排與巷道中心線平行的φ32 mm鉆眼，內注φ25.4 mm×3 000 mm的鋼管作為鋼針，鋼針間距0.15 m，將網固定在鋼針上，最后從外向內進行錨索支護；預注鋼針作為超前支護，防止煤頂冒落。在超前支護的掩護下割煤，循環進度600 mm，割第1刀后進行錨網支護，先將金屬網固定在鋼針上，再從外向內進行錨索支護將鋼針尾部固定成為一個整體，錨索排距0.6 m，間距1.0 m，最小空頂距0.3 m；第2刀完畢，鋼針注入煤層約1.6 m，注第二茬鋼針，鋼針搭接長度1.2 m，在搭接部分進行支護，至此完成一個完整循環。鋼針布置平面圖如圖2所示。

圖2 預注鋼針布置平面圖

初噴緊跟工作面：通過初噴使破碎圍巖與空氣隔絕防止破碎圍巖風化，初噴厚度不小于80 mm。

采用U29鋼棚二次支護：在錨索網、鋼帶支護的基礎上架設U29鋼棚，棚間距900 mm，背板采用1 100 mm×200 mm×50 mm的預制砼背板，壁后片石砂漿充填密實，接頂接幫，使棚子受力均勻。每循環打完錨桿、錨索后初噴必須跟至工作面，過斷前10 m、后5 m必須架設U29鋼棚到工作面，使過斷區域形成一個整體結構。

2.4 圍巖控制意義

大斷面巷道過斷層破碎帶支護技術對塔山煤礦生產實踐具有積極的指導作用，對同類型礦井生產實踐具有積極指導作用。

目前各條巷道施工順利，初步解決了塔山煤礦在地質構造及穿層巷道的支護難題，根治了冒頂施工的發生。

塔山煤礦大斷面巷道穿層掘進以及過斷層支護有很多的困難性，為此文中從地質構造入手，分析了斷層影響巷道支護施工的諸多因素，通過斷層破碎帶巷道應力分布，提出了過斷層巷道圍巖控制技術及方法，施工后經過一段時間現場觀測檢驗，證明了這些控制技術的有效性和實用性，同時也達到了節約施工時間快速掘進穿越斷層的目的，保質保量按期完成了施工任務。

3 結語

穿層施工或者遇到斷層時施工較為困難，按照新的支護參數進行支護，根據這一情況，通過多種施工工藝相結合，順利地通過了斷層破碎帶，現場取得了良好的效果，施工進度在安全的前提下有了提高，防止頂板發生冒落的事故，總結這些經驗對今后的生產具有現實意義。