巷道過斷層破碎帶掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)研究

張 勇

（山西潞安工程有限公司，山西 長治 046100）

1 工程概況

郭莊礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，3#煤層煤質(zhì)松軟，頂板含厚度不穩(wěn)定的泥巖層。2112工作面北部坡度變化較大，根據(jù)三維地震資料，2112工作面內(nèi)底板起伏變化較大，多形成褶曲結(jié)構(gòu)，褶曲結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)頂板裂隙發(fā)育，巷道煤巖體松軟破碎，極易出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象。2112工作面共存在7個小型斷層，各斷層發(fā)育情況如表1所示。工作面在揭露斷層位置，煤體破碎，掘進(jìn)工作面通過斷層構(gòu)造區(qū)域時，支護(hù)困難，需進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

2 巷道過斷層破碎帶掘進(jìn)技術(shù)方案

2.1 巷道斷面設(shè)計

2112工作面回采巷道在掘進(jìn)過程中遇夾矸，由于夾矸賦存區(qū)域破碎嚴(yán)重，若巷道采用矩形斷面，隨著工作面的推進(jìn)，巷道頂板極易垮落。因此，為提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，可將巷道易冒段設(shè)計為直墻拱形斷面。直墻拱形斷面的拱頂能夠在巷道頂部預(yù)留一定的“讓”壓空間，當(dāng)頂板沿垂直方向產(chǎn)生形變時，各巖層之間可形成一定范圍的擠壓拱，并與頂板錨桿所形成的壓縮拱形成組合拱結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)巷道圍巖的承載能力，降低頂板冒落范圍。

表1 斷層發(fā)育一覽表

在圍巖破碎區(qū)域，為降低應(yīng)力疊加效應(yīng)，促使圍巖中的高應(yīng)力得到有效釋放，需適當(dāng)加大巷道斷面的寬度。設(shè)計巷道頂板與兩幫的預(yù)留變形量均為150mm，考慮到巷道頂板與兩幫注漿支護(hù)厚度為150mm，底板混凝土厚度為300mm，可設(shè)計巷道斷面開挖規(guī)格為6200mm×5600mm。

2.2 分層臺階掘進(jìn)技術(shù)

對于直墻拱形巷道的開挖，常用的施工工藝為全斷面掘進(jìn)一次成巷，通過綜掘機(jī)或鉆眼爆破掘進(jìn)施工，切割形成直墻拱形巷道。該工藝能夠大大提高掘進(jìn)效率，但針對圍巖破碎區(qū)域極易引起頂板大面積冒落。因此，可采用分層臺階掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行直墻拱形的巷道開挖，沿巷道斷面分步開挖，使其逐步成形。施工時，依次對巷道上分層與下分層開挖、支護(hù)，通過降低掘進(jìn)擾動的強(qiáng)度和影響，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3 巷道過斷層破碎帶支護(hù)技術(shù)方案

3.1 超前管棚預(yù)加固技術(shù)

沿巷道開挖輪廓線布置超前鉆孔，在超前鉆孔內(nèi)安裝超前管棚。噴漿封閉后，再利用超前管棚進(jìn)行注漿加固。在形成的超前管棚結(jié)構(gòu)維護(hù)作用下進(jìn)行巷道的掘進(jìn)和支護(hù)施工，可有效防止可能出現(xiàn)的頂板垮落問題[1]。

超前管棚施工采用規(guī)格為Φ60mm的鋼管制作，管棚長度與搭接長度分別為30m、3.0m，各管棚間距為500mm。超前管棚布置示意圖如圖1所示。管棚管身設(shè)若干規(guī)格為Φ8～12mm的溢漿孔，各漿孔按梅花形排列，將管棚加工成錐形并封焊嚴(yán)實[2]。管棚加工示意圖如圖2所示。

圖2 超前管棚加工示意圖

在圍巖破碎嚴(yán)重的區(qū)域內(nèi)，在完成超前管棚的加固后，還需通過超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)加固，增強(qiáng)圍巖的承載能力。施工過程中，當(dāng)鉆孔中有水流滲出時，選用單液水泥進(jìn)行注漿加固，鉆孔中無水流滲出或者滲出水流極其微弱時，可選用雙液水泥進(jìn)行注漿加固處理[3]。

3.2 架設(shè)U型鋼臨時支架

巷道在通過斷層破碎區(qū)域時，巖層松軟分散，常用的主動支護(hù)形式如打設(shè)錨桿、錨索等難以起到有效的支護(hù)作用。對于直墻拱形巷道而言，U型鋼支架結(jié)構(gòu)能夠有效適應(yīng)巷道圍巖變形，為圍巖提供良好的支撐力。根據(jù)2112工作面回采巷道推進(jìn)情況，需在巷道開挖后架設(shè)3～5排U29型鋼支架作為臨時支撐。為提高支架的穩(wěn)定性，鋼架間采用拉桿連接，各鋼架排距為800mm。U29型鋼支架臨時支護(hù)示意如圖3所示。在錨網(wǎng)噴初次支護(hù)后，可將U29型鋼支架撤出，依次沿著巷道軸向往前移，直至將超前管棚加固范圍內(nèi)的巷道掘進(jìn)完畢。

3.3 錨網(wǎng)噴初次支護(hù)

錨網(wǎng)噴進(jìn)行初次支護(hù)時，錨桿選用規(guī)格為Φ22mm×2400mm的高性能螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm，桿體采用規(guī)格為Φ22mm的左旋無縱筋螺紋鋼筋，保證錨固長度≥800mm，錨固力≥150kN，預(yù)緊力矩≥400N·m。托盤選用規(guī)格為150mm×150mm×8mm的拱型高強(qiáng)度托盤。錨網(wǎng)噴初次支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

金屬網(wǎng)選用規(guī)格為Φ6.5mm鋼筋焊接，網(wǎng)片與網(wǎng)孔的規(guī)格分別為4300mm×1100mm、100mm×100mm。網(wǎng)片之間通過勾接連接，勾接長度為100mm。

混凝土噴射強(qiáng)度等級為C30，配合比1:2:2，摻3%～5 %速凝劑，厚度100mm左右，保證內(nèi)注漿錨桿孔口外露長度不少于30mm，以便于后期復(fù)注加固。錨網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖3 U29型鋼支架臨時支護(hù)

圖4 錨網(wǎng)噴初次支護(hù)結(jié)構(gòu)

3.4 二次注漿加固

為保證巷道圍巖結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，在進(jìn)行單一的錨網(wǎng)噴支護(hù)后，還需進(jìn)行二次注漿加固。二次注漿加固采用低壓淺孔充填注漿，低壓淺孔注漿管選用規(guī)格為Φ38mm×1000mm的結(jié)構(gòu)鋼注漿管，風(fēng)鉆打眼的孔徑、孔深與間排距分別為Φ45mm、2500mm和1600mm×1200mm。低壓淺孔注漿管的布置如圖5所示。

圖5 低壓淺孔注漿管布置示意圖

現(xiàn)場施工中，采用單液水泥-水玻璃漿液進(jìn)行注漿，水玻璃與水泥用量配比為1:20，注漿壓力控制在1.5～2.0MPa之間。為保證噴層能夠形成有效的固結(jié)[4-5]，要進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，保證漿液結(jié)石率≥92%。

4 監(jiān)測效果分析

在巷道的頂板、巷幫等部位布置多點位移計，進(jìn)行圍巖松動圈的連續(xù)監(jiān)測。在2112工作面支護(hù)完成后，布置了1組表面變形測點，監(jiān)控圍巖變形情況。通過為期15d的觀測，繪制出巷道圍巖變形量隨天數(shù)的變化情況如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形量

通過測站數(shù)據(jù)可以看出，在對2112工作面回采巷道支護(hù)完成后，頂板下沉量與兩幫移近量大大減小，圍巖穩(wěn)定性得到了有效的控制。其中巷道頂板累計下沉量為17.5mm，在12d后逐漸趨于穩(wěn)定，巷幫累計向內(nèi)收斂量為6.2mm，在8d后逐漸趨于穩(wěn)定。巷道頂板與兩幫位移變化均穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，巷道圍巖變形情況得到了有效的控制。該工藝保證了巷道頂板和煤幫在回采期間的穩(wěn)定性，控制效果良好，達(dá)到了設(shè)計施工要求。

5 結(jié)語

郭莊礦2112工作面回采巷道在通過斷層破碎帶時，頂板破碎嚴(yán)重，影響到工作面正常施工。為控制圍巖變形情況，保證巷道穩(wěn)定性，針對該掘進(jìn)破碎區(qū)域，對巷道斷面形狀進(jìn)行了調(diào)整設(shè)計，在掘進(jìn)前期對巷道進(jìn)行超前加固，適時實施錨網(wǎng)噴和注漿加固，構(gòu)成錨固與注漿加固的動態(tài)迭加耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效地控制了巷道圍巖變形情況。