掘進(jìn)巷道遇斷層冒頂處理技術(shù)

張 鵬

（山西晉煤集團(tuán)調(diào)度指揮中心，山西 晉城 048000）

隨著礦井機(jī)械化程度的不斷提升，巷道掘進(jìn)工程量以及斷面不斷加大，同時(shí)由于我國煤層賦存條件復(fù)雜，巷道掘進(jìn)過程中不可避免的會(huì)遇到各種地質(zhì)構(gòu)造，給巷道的安全掘進(jìn)以及正常使用帶來不利影響[1]。地質(zhì)構(gòu)造帶附近，應(yīng)力分布異常，巖層較為破碎，巷道掘進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)冒頂[2]。本文就巷道掘進(jìn)遇斷層冒頂處理技術(shù)進(jìn)行初步探討，以期實(shí)現(xiàn)安全通過地質(zhì)構(gòu)造破碎帶。

1 概況

1.1 工程概況

某礦核定生產(chǎn)能力為2.40 Mt/a，開采11號(hào)煤層，煤層厚度在5.6 m，埋藏深度在700 m，采用斜井-平硐開拓，礦井101盤區(qū)準(zhǔn)備巷道正在掘進(jìn)中，巷道底板為泥巖，設(shè)計(jì)的巷道斷面為半圓拱形，凈高為4.3 m，凈寬為5.4 m。巷道支護(hù)采用錨網(wǎng)噴方式。錨桿規(guī)格為：直徑22 mm，長度2800 mm，設(shè)計(jì)間排距均為700 mm；錨索規(guī)格為：直徑17.8 mm，長度7600 mm鋼絞線，設(shè)計(jì)間排距均為1400 mm。在巷道的表面噴射強(qiáng)度為C20混凝土，噴射厚度在200 mm。

1.2 冒頂原因

巷道沿著4°傾角上山掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中遇到DF101-22斷層，該斷層傾角在48°～56°，斷層落差在2～26 m，超前探測鉆孔表面，斷層不具備導(dǎo)水性，涌水量很小。巷道掘進(jìn)距斷層20 m位置處，頂板出現(xiàn)冒頂，冒頂?shù)纳疃仍? m左右，頂板施工的錨索大部分失效，冒落物為煤、巖混合物。經(jīng)過對冒落區(qū)域進(jìn)行測量分析，巷道頂板實(shí)際冒落位置位于斷層上盤，具體的位置素描圖見圖1。

經(jīng)綜合分析查找，認(rèn)為冒頂出現(xiàn)主要原因有：受到DF101-22斷層構(gòu)造應(yīng)力作用，巖層處于極限平衡狀態(tài)，巷道掘進(jìn)開挖造成應(yīng)力重新分布，DF101-22斷層為張拉斷層，層間充填物破碎，膠結(jié)程度低，在外力影響下容易出現(xiàn)滑移。在受到地質(zhì)構(gòu)造作用影響，巷道圍巖破碎帶發(fā)育，原有的巷道錨桿、錨索支護(hù)難以形成有效的承載圈。巷道掘進(jìn)工作面埋深在700 m左右，巷道圍巖以泥巖、粉砂、煤體等為主，圍巖承載能力較差，在高應(yīng)力作用下表現(xiàn)出軟巖特性，巷道維護(hù)較為困難。受到臨近的回采巷道掘進(jìn)影響，應(yīng)力場多次擾動(dòng)，甚至存在應(yīng)力疊加，增加巷道圍巖破碎程度。

圖1 巷道與斷層位置關(guān)系

2 冒頂處理

2.1 掘進(jìn)技術(shù)

針對巷道掘進(jìn)采用的支護(hù)方式在地質(zhì)構(gòu)造帶中難以形成有效的承載圈，需要對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對頂板冒落進(jìn)行處理時(shí)需要綜合考慮下面3個(gè)方面[3]：

（1）避免巷道頂板冒落后，清矸及掘進(jìn)工作引起巷道深部圍巖的更進(jìn)一步失穩(wěn)；

（2）加強(qiáng)巷道圍巖的整體支護(hù)力度，在巷道周邊巖層中形成強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)和有效的錨固承載單元；

（3）對巷道周邊破碎巖層進(jìn)行重塑，主要采取注漿方式進(jìn)行，對錨固區(qū)空洞進(jìn)行充填，防止煤體出現(xiàn)自然發(fā)火。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況并結(jié)合理論分析，對巷道圍巖破碎冒頂區(qū)，決定采用綜合掘進(jìn)技術(shù)方案：頂板穩(wěn)定性評價(jià)→剛性支護(hù)→管棚掩護(hù)開挖掘進(jìn)→二次強(qiáng)化支護(hù)。

2.2 冒頂處理

（1）頂板穩(wěn)定性評價(jià)

掘進(jìn)巷道頂板冒落區(qū)冒落巖層為煤矸石混合物，在對巷道繼續(xù)掘進(jìn)開挖之前需要對頂板冒落區(qū)進(jìn)行預(yù)選探測及處理，根據(jù)頂板巖層穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果，判定采用先放后充還是先充后放的施工方式，確保巷道頂板安全，防止由于漏風(fēng)造成煤層自燃情況。

（2）剛性支護(hù)

過斷層破碎帶，采用錨噴+鋼支架支護(hù)方式，巷道工作面作業(yè)人員安全，在棚間連桿，以便形成穩(wěn)定整體。將原支護(hù)采用的錨索延長至12 m，支護(hù)支架采用29U型鋼制作而成，棚距間隔為800 mm，具體的巷道架棚支護(hù)見圖2。巷道頂板采用規(guī)格為1000 mm×100 mm×50 mm，背板為花背。在支護(hù)采用的金屬加內(nèi)部綁扎1層金屬網(wǎng)，并使用8#鋼絲固定在剛性支架上。噴射強(qiáng)度為C20混凝土，厚度在200 mm，兩個(gè)支架為一個(gè)循環(huán)。在兩架架棚間距離巷道底板400 mm位置向下施工錨桿，并配合錨固卡蘭對架棚位置進(jìn)行限定。

圖2 架棚支護(hù)

（3）管棚掩護(hù)掘進(jìn)

在巷道頂板上施工管棚，在管棚的保護(hù)下，將松動(dòng)破碎的圍巖采用管棚托起，形成完整性較好的整體，避免出現(xiàn)二次冒落。

在巷道掘進(jìn)面前方施工直徑為50 mm，深度為6000 mm鉆孔，向上傾斜5°，并掃孔。掃孔結(jié)束后再向內(nèi)打入長度為7000 mm鋼管，鋼管間距為300 mm，外露長度為500 mm。并采用錨索吊掛管棚將鋼管托住。由于前方掘進(jìn)巖體較為破碎，管棚的前方在煤巖體上的長度最小控制在2 m，巷道每次掘進(jìn)4.5 m，隨后再施工管棚，依次循環(huán)掘進(jìn)。

（4）二次強(qiáng)化支護(hù)

淺層注漿方式可以對巷道淺部破碎圍巖進(jìn)行強(qiáng)化，施工注漿錨索可以對巷道深層圍巖裂隙進(jìn)行注漿，確保圍巖的整體穩(wěn)定，施工的淺部注漿孔深度為1800 mm，間距為1400 mm，排距為1600 mm，注漿鉆孔的深度為1800 mm，每個(gè)注漿循環(huán)重疊200 mm。注漿注入水泥-水玻璃雙液漿。從巷道的底板角眼處開始注漿，按照從下到上方方式依次注入，先在巷道兩幫進(jìn)行注漿，隨后再在巷道頂板位置進(jìn)行，注漿壓力控制在1.5～2 MPa；采用的中空注漿錨索直徑為22 mm，長度為9300 mm，間距布置為1600 mm，排距布置為1800 mm，注漿漿液的水灰比控制為0.5:1，并加入適量的ACZ-I型添加劑。

3 效果分析

采用上述冒頂處理措施之后，巷道安全平穩(wěn)通過地質(zhì)構(gòu)造破碎帶，掘進(jìn)過70 m后，巷道圍巖恢復(fù)到正常情況。

1）注漿效果分析

采用窺視儀對注漿效果進(jìn)行判斷，從窺視結(jié)果可以看出，窺視鉆孔周邊較為光滑，鉆孔內(nèi)1200～2800 mm范圍內(nèi)的漿液擴(kuò)展較好，破碎區(qū)巖層得到較好膠結(jié)，裂隙間隙充填較為密實(shí)。

2）巷道表面位移

采用激光測距儀對過破碎區(qū)范圍內(nèi)的架棚段巷道圍巖變形情況繼續(xù)監(jiān)測，具體如圖3所示。從圖中可以看出，巷道圍巖變形在掘進(jìn)初期變形較大，隨著時(shí)間的增加，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定。最終頂板的下沉量穩(wěn)定在62.3 mm。底板最大底鼓量穩(wěn)定在17.6 mm，巷道兩幫總移近量139 mm。采用的支護(hù)方式可以基本保證巷道圍巖穩(wěn)定，注入的漿液具有較好的擴(kuò)散效果，對地質(zhì)構(gòu)造帶破碎圍巖起到較好的膠結(jié)作用，滿足巷道安全使用需要。

圖3 巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

1）對101盤區(qū)準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)過程中頂板冒落原因進(jìn)行了分析，歸納有：地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力、構(gòu)造帶圍巖破碎、高地應(yīng)力以及圍巖松軟、掘進(jìn)施工擾動(dòng)等。

2） 根據(jù)巷道頂板圍巖評測情況，采用剛性支架、圍巖注漿、管棚超前支護(hù)等巷道過冒落區(qū)掘進(jìn)支護(hù)措施。

3）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，采用剛性支架、圍巖注漿、管棚超前支護(hù)等措施后，巷道圍巖穩(wěn)定性顯著提升，圍巖變形量也在允許范圍內(nèi)，確保了巷道掘進(jìn)及使用安全。