掘進巷道快速過斷層施工技術(shù)應(yīng)用

靳勇強

（山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

1 概述

山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業(yè)有限公司3108回風(fēng)順槽位于井田一采區(qū)，施工巷道東側(cè)為3103采空區(qū)，西側(cè)為3105 采空區(qū)，北側(cè)為礦井邊界保護煤柱，南為一采區(qū)三條大巷。

3108 回風(fēng)順槽從一采區(qū)軌道巷開口施工，巷道施工設(shè)計長度為650m，巷道為矩形斷面，斷面規(guī)格為寬×高=4.2×4.0m。巷道掘進煤層為3#煤層，平均厚度為3.7m，施工巷道沿煤層頂板平行掘進。3#煤層存在偽頂，主要以炭質(zhì)泥巖、灰色泥巖混合巖層為主，平均厚度為0.3m；直接頂主要以粉砂巖、泥巖混合巖為主，平均厚度為3.95m；基本頂主要以細砂巖為主，平均厚度為7.66m。具體巖性特性如表1 所示。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性表

3108 回風(fēng)順槽地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巷道掘進期間共計揭露7 條斷層，其中巷道在370m 處揭露一條F3 正斷層，斷層走向南北，傾向292°，傾角約65°，落差2.0m，該斷層對巷道掘進影響較大。

2 俯斜臺階法松動爆破施工工藝

由于F3 正斷層采用掘進機直接破巖法過斷層時，破巖量大，巷道留底煤多，機械設(shè)備損壞嚴(yán)重，不利于巷道安全快速掘進施工，研究決定采用俯斜松動爆破施工工藝過斷層破碎帶。

（1）傳統(tǒng)俯斜法施工工藝主要在設(shè)計位置頂?shù)装灏丛O(shè)計角度進行下山掘進，進行留頂破底施工，但是當(dāng)預(yù)留頂板煤層或不穩(wěn)定巖層時，由于頂板三角區(qū)煤巖柱厚度小，膠結(jié)不穩(wěn)定，很難預(yù)留，對三角區(qū)煤巖柱維護難度大，不利于巷道俯斜施工安全，決定采用臺階法俯斜施工。

（2）巷道掘進345m 處時，施工巷道底板以4°斜角下山掘進，頂板保持不變；當(dāng)巷道掘進至355m 處時，施工巷道底板下臥深度為0.7m，并及時對巷道圍巖進行補打支護。

（3）頂板處永久支護施工完成后，在工作面施工俯斜爆破鉆孔。共計施工4 排，排距為1.0m，每排8 個鉆孔，孔間距為0.5m，鉆孔深度為1.2m，俯角為5°。第一排鉆孔施工在距頂板0.7m 處，單茬爆破進度控制在1.0m 范圍內(nèi)，巷道爆破后頂板預(yù)留臺階頂煤，臺階高度為0.7m。臺階頂煤預(yù)留后，巷道高度保持不變。

（4）巷道俯斜爆破掘進15m 后揭露F3 正斷層上盤煤層頂板后，施工巷道水平爆破掘進，當(dāng)掘進5.0m 后再繼續(xù)采用掘進機進行掘進，如圖1 所示。

圖1 回風(fēng)順槽俯斜臺階法過F3 斷層施工剖面示意圖

3 斷層破碎帶頂板控制措施

3.1 化學(xué)材料注漿加固

為了加強施工巷道俯斜掘進時頂煤穩(wěn)定性，防止頂煤破碎、冒落現(xiàn)象，提高頂板支護效果，決定對頂煤采取化學(xué)材料注漿加固。

（1）注漿材料。為了提高注漿材料在煤巖裂隙帶內(nèi)擴散范圍，縮短注漿凝固時間，決定對F3斷層破碎帶處頂煤采取馬浮因（MF-2 型）化學(xué)材料進行加固。該注漿材料主要由馬浮因（MF-2 型）與固特瓏（GN-4 型）以1:1 配比混合而成。該注漿材料具有粘稠度低、滲透能力強、凝固時間短等優(yōu)點，最大裂隙滲透長度達3.0m，凝固時間在0.5～2.0h范圍內(nèi)。

（2）注漿鉆孔施工。3108 回風(fēng)順槽掘進至355m 處時對巷道頂煤施工第一排注漿鉆孔，鉆孔深度為5.0m，鉆孔施工在距頂板0.5m 處。每排施工3 個鉆孔，鉆孔間距為1.5m，相鄰兩排鉆孔間距為2.0m，共計施工三排，其中第二排、第三排鉆孔以5°俯角施工。

（3）注漿工序。采用QB6C 型氣動高壓雙液注漿泵進行注漿施工，注漿壓力控制在2.0～4.0MPa范圍內(nèi)，單孔注漿量不得低于300kg。同一排鉆孔按由中部向兩幫的注漿順序，注漿1h 后巷道方可繼續(xù)掘進。

3.2 錨索鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)支護

由于傳統(tǒng)金屬網(wǎng)抗拉強度低，為了防止傳統(tǒng)金屬網(wǎng)在斷層破碎帶頂板支護時，受頂板蠕動變形影響，金屬網(wǎng)出現(xiàn)變形、斷裂現(xiàn)象，決定對斷層破碎帶處頂板鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并施工恒阻錨索。

（1）鋼筋經(jīng)緯網(wǎng)主要由直徑為8mm 圓鋼編制而成，網(wǎng)格規(guī)格為長×寬=0.1×0.1m，鋼筋網(wǎng)長度為2.0m，寬度為1.2m。巷道每掘進1.0m，頂板鋪設(shè)兩片鋼筋網(wǎng)。

（2）鋼筋網(wǎng)采用JW 型鋼帶及恒阻錨索進行預(yù)緊，鋼帶長度為4.0m，每根鋼帶上焊制5 個直徑為30mm 圓孔。恒阻錨索長度為5.0m，直徑為21.6mm，每排布置5根錨索將鋼帶、鋼筋網(wǎng)進行固定。

3.3 U29 梯形棚支護

受斷層影響，斷層附近頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，集中應(yīng)力在斷層裂隙出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象，破壞了頂板承載梁結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致頂板穩(wěn)定性降低，決定對斷層處頂板采取架設(shè)鋼棚進行加強支護。

（1）由于傳統(tǒng)矩形鋼棚受壓強度低，易變形，對大應(yīng)力頂板支護效果差，所以決定對F3 斷層帶處架設(shè)U29 梯形棚。鋼棚主要由一根長度為4.0m、寬度為0.25m 工字鋼梁以及兩根U29 形棚腿組成，棚腿與頂梁之間采用U 型卡固定。

（2）當(dāng)3108 回風(fēng)順槽掘進至360m 處開始架設(shè)U29 梯形棚，如圖2 所示。鋼棚架設(shè)間距為1.0m，共計架設(shè)20 架鋼棚，鋼棚棚腿與頂梁之間夾角為75°。鋼棚架設(shè)完后相鄰兩架鋼棚棚腿之間采用連接桿進行固定。

圖2 回風(fēng)順槽過斷層破碎帶頂板聯(lián)合支護平面示意圖

（3）由于巷道在360～370m 段下山掘進，在該范圍內(nèi)架設(shè)鋼棚時，必須對鋼棚安裝防倒設(shè)施。在355m 處安裝一部小功率礦用絞車，并通過鋼絲繩對鋼棚進行預(yù)拉防倒。

4 實際應(yīng)用效果觀察分析

4.1 頂板下沉、離層觀察方法

3108 回風(fēng)順槽掘進期間分別在350m（1#）、360m（2#）、370m（3#）以及380m（4#）處頂板安裝一臺型號為GUD500 礦用數(shù)顯頂板離層儀。該型號離層儀測量范圍為5～10m，共計有A、B 兩個基點固定錨爪，在安裝時將深部基點安裝固定在8.0m 處頂板上覆巖層上，淺部基點安裝固定在4.0m處巖層上，然后打開儀器顯示器實時觀測頂板離層情況。

4.2 頂板觀察分析

截至2019 年4 月25 日3108 回風(fēng)順槽已掘進至420m，通過對350～380m 斷層破碎帶頂板進行30d 觀察發(fā)現(xiàn)，在350～365m 以及374～380m 處頂板在前10d 范圍內(nèi)塑性變形相對嚴(yán)重，局部頂板出現(xiàn)彎曲變形，但未出現(xiàn)斷裂、頂煤破碎、頂板離層現(xiàn)象；在10～30d 范圍內(nèi)，頂板趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉量為0.13m。在365～374m 范圍內(nèi)，由于斷層破碎了頂板巖層連續(xù)穩(wěn)定性，在前15d 范圍內(nèi)，頂板上覆巖層在1.7m、3.5m 出現(xiàn)局部離層現(xiàn)象，最大離層量為0.14m；在15～30d 范圍內(nèi)通過U29 梯形棚被動支護作用，離層現(xiàn)象得到有效控制，最大離層量控制在0.16m 以下，在此段范圍內(nèi)頂板最大下沉量控制在0.19m 以下。

由此可見，通過對F3 斷層破碎帶采取聯(lián)合支護措施后，有效控制了破碎頂板下沉、離層現(xiàn)象，提高了巷道成型率，保證了巷道安全高效掘進，取得了顯著應(yīng)用成效。