掘進(jìn)巷道過(guò)斷層破碎帶施工工藝研究

田曉強(qiáng)

（大同煤礦集團(tuán)虎龍溝煤礦，山西 朔州 036000）

1 工程概述

虎龍溝煤礦21505巷位于井田東盤(pán)區(qū)北翼，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1471m，斷面規(guī)格為寬×高=5.2×3.5m。巷道掘進(jìn)煤層為石炭系5#煤層，平均厚度為12m，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，矸石夾層較多，矸石總厚度達(dá)1.9m，其中位于煤層底板往上3.5m處含有一層黃斑巖，巖石厚度為1.5m，巖石硬度大，普氏系數(shù)f＞6.0。21505工作面從東盤(pán)區(qū)皮帶巷開(kāi)口沿5#煤層底板掘進(jìn)施工，采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝。

根據(jù)地測(cè)科提供資料，21505巷在掘進(jìn)期間共揭露3條正斷層。F1斷層位于巷道274m處，H=0.7m，∠50°；F2斷層位于巷道578m處，H=0.4m，∠47°；F3斷層位于巷道881m處，H=1.4m，∠55°。21505巷在掘進(jìn)前期采用直接平推破巖法過(guò)F1、F2斷層，但是由于黃斑巖硬度大，在破巖過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備損壞現(xiàn)象，其中掘進(jìn)機(jī)切割部損壞2次，電機(jī)燒毀一次，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)47萬(wàn)元。破巖難度大，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)效率，平均掘進(jìn)速度僅為3.2m/d。同時(shí)巷道平均留底煤厚度達(dá)0.5m，降低了工作面回采率，加大了后期工作面回采期間采空區(qū)遺煤量，不利于采空區(qū)安全管理。

2 下山掘進(jìn)施工工藝

為了降低接卸設(shè)備損壞率，減少采空區(qū)遺煤量，決定采用松動(dòng)爆破下山掘進(jìn)施工工藝過(guò)F3斷層。

（1）為防止下山期間設(shè)備出現(xiàn)下滑現(xiàn)象以及便于煤矸石運(yùn)輸，21505巷下山掘進(jìn)角度為5°，下山掘進(jìn)距離為15m，掘進(jìn)到位后揭露斷層上盤(pán)巖石層，如圖1所示。

（2）當(dāng)巷道掘進(jìn)至866m時(shí)，在掘進(jìn)工作面迎頭施工三排松動(dòng)爆破孔，每排4個(gè)。第一排鉆孔距頂板間距為0.5m，孔間距為1.2m，排距為1.0m，鉆孔深度為1.0m，直徑為42mm，鉆孔以5°俯角布置。

（3）工作面松動(dòng)爆破孔施工完后，從下排依次往上填裝礦用乳化炸藥、雷管以及水炮泥。每個(gè)炮孔填裝一支乳化炸藥，裝藥量為300g，雷管采用毫秒延期電雷管，炮孔封孔長(zhǎng)度不得低于0.5m，一次允許爆破炮孔數(shù)量不得超過(guò)5個(gè)，采用正向裝藥方式及串聯(lián)聯(lián)線方式。

（4）第一茬爆破施工完后，采用風(fēng)鎬及洋鎬進(jìn)行擴(kuò)幫、修規(guī)格，直至符合巷道設(shè)計(jì)斷面規(guī)格后及時(shí)補(bǔ)打巷道頂板及幫支護(hù)，并清理巷道浮煤。第一個(gè)循環(huán)施工完后進(jìn)行第二茬爆破施工，施工工序與前一循環(huán)工序相同。

（5）當(dāng)巷道下山掘進(jìn)15m后，施工巷道頂板揭露斷層上盤(pán)黃斑巖下方煤柱，此時(shí)巷道沿巖層及煤層底板繼續(xù)平行掘進(jìn)。

圖1 21505巷過(guò)F3斷層松動(dòng)爆破下山掘進(jìn)剖面示意圖

3 斷層破碎帶頂板維護(hù)措施

21505 巷下山掘進(jìn)時(shí)需預(yù)留頂煤，預(yù)留頂煤最大厚度為1.4m，由于5#煤層穩(wěn)定性差，在預(yù)留頂煤時(shí)會(huì)出現(xiàn)破碎、局部冒頂現(xiàn)象，為了保證巷道下山掘進(jìn)施工安全，采取“注漿+施工交錯(cuò)密集JW型鋼帶+架棚”等聯(lián)合支護(hù)措施。

3.1 注漿支護(hù)

（1）當(dāng)巷道施工至875m時(shí)，對(duì)頂板施工一排注漿鉆孔，每排三個(gè)，鉆孔深度為3.0m，鉆孔與頂板呈45°仰角布置。

（2）鉆孔施工完后，采用高壓注漿泵對(duì)鉆孔內(nèi)注射馬麗散漿液（馬麗散與催化劑配比為1∶1），注射壓力不得低于1.5MPa，注漿期間發(fā)現(xiàn)頂板煤體有漿液滲出時(shí)停止注漿，注漿2h后方可繼續(xù)掘進(jìn)。

（3）當(dāng)?shù)谝慌陪@孔注漿完且巷道掘進(jìn)2h后，繼續(xù)施工第二排注漿鉆孔并進(jìn)行注漿工序，依次類推直至巷道揭露斷層上盤(pán)煤層。

3.2 施工交錯(cuò)密集“JW”型鋼帶

由于21505巷下山掘進(jìn)前5m范圍內(nèi)頂煤厚度不足1.0m，注漿及錨桿支護(hù)效果差，很容易形成冒落區(qū)，為了加大鋼帶支護(hù)斷面，決定采用施工交錯(cuò)密集“JW”型鋼帶。

（1）21505巷頂板施工的“JW”型鋼帶縱橫交錯(cuò)布置，橫向鋼帶（垂直巷道）長(zhǎng)度為3.8m，寬度0.28m，每根鋼帶焊制5個(gè)直徑為30mm圓孔。每根鋼帶配套5根長(zhǎng)度為3.0m、直徑為22mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間距為0.9m，鋼帶排距為1.0m。

（2）橫向鋼帶施工完后，在頂板施工交錯(cuò)式縱向鋼帶，縱向鋼帶長(zhǎng)度為2.5m，寬度為0.28m，每根鋼帶焊制3個(gè)直徑為30mm圓孔。第一組縱向鋼帶施工在第一排、第二排、第三排橫向鋼帶的第一個(gè)、第三根、第五根錨桿上，共計(jì)三根，且與橫向鋼帶垂直布置，如圖2所示。

（3）第二組鋼帶施工在第二排、第三排、第四排鋼帶的第二根、第四根錨桿上，共計(jì)兩根，與第一組縱向鋼帶交錯(cuò)式布置，依次類推直至工作面完全過(guò)斷層破碎帶。

3.3 架設(shè)11#工字鋼棚

為了進(jìn)一步提高頂板穩(wěn)定性，降低頂板應(yīng)力作用影響，在下山巷道掘進(jìn)完成后架設(shè)密集11#工字鋼棚。

（1）21505巷架設(shè)的工字鋼棚為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=4.0×3.5m，鋼棚架設(shè)間距為1.0m，每架鋼棚棚腿、頂梁與頂板施工一組固定錨桿，確保鋼棚架設(shè)穩(wěn)定性，所有鋼棚連接卡纜必須預(yù)緊，預(yù)緊力不得低于200N·m。

（2）鋼棚架設(shè)完后，在鋼棚棚腿、頂梁與巷道輪廓間隙處填充水泥背板，水泥背板長(zhǎng)度為1.2m，寬度為0.3m。在相鄰兩架鋼棚間安裝兩組連接桿，進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)作用。

（3）每班施工前必須安排專人對(duì)每一架鋼棚進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)鋼棚傾倒、變形、松動(dòng)等現(xiàn)象時(shí)必須重新架設(shè)。

圖2 21505巷施工交錯(cuò)式密集“JW”型鋼帶平面示意圖

4 效果

（1）21505巷過(guò)F3斷層時(shí)采用松動(dòng)爆破下山掘進(jìn)施工工藝，減少巖石掘進(jìn)量達(dá)148m3，避免了機(jī)械設(shè)備磨損，加快了巷道過(guò)斷層掘進(jìn)效率。21505巷過(guò)F3斷層共計(jì)用時(shí)2.5d，平均掘進(jìn)量達(dá)5.7m/d。下山掘進(jìn)期間未出現(xiàn)機(jī)械設(shè)備損壞現(xiàn)象，節(jié)約設(shè)備維護(hù)、成本費(fèi)用達(dá)30余萬(wàn)元。

（2）21505巷下山掘進(jìn)階段頂煤采取注漿支護(hù)后，提高了原破碎煤體穩(wěn)定性，通過(guò)單軸抗壓實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注漿前破碎煤體單軸抗壓強(qiáng)度僅為7.4MPa，注漿后提高至45.7MPa，大大提高了煤體承載能力。

（3）對(duì)破碎煤體施工交錯(cuò)式“JW”型鋼帶后，加大了頂板鋼帶支護(hù)斷面，提高了鋼帶支護(hù)效果，有效防止了頂板出現(xiàn)破碎、局部冒頂現(xiàn)象。同時(shí)采用架設(shè)密集工字鋼棚的方法減少頂板受應(yīng)力作用影響，保證了頂板完整性，防止了頂板在應(yīng)力作用下發(fā)生離層現(xiàn)象。斷層帶附近頂板施工完交錯(cuò)式鋼帶及密集工字鋼棚后，在后期掘進(jìn)期間未出現(xiàn)頂板大面積破碎現(xiàn)象，在866～876m范圍內(nèi)頂板最大下沉量?jī)H為0.09m，在876～885m受斷層應(yīng)力作用下，頂板下沉量呈上升趨勢(shì)，但最大下沉量?jī)H為0.13m（位于880m處），頂板支護(hù)未出現(xiàn)失效現(xiàn)象，鋼棚未出現(xiàn)變形等現(xiàn)象。