斜巷穿過極復雜地質構造帶綜合施工技術

劉光毅

(平煤神馬建工集團有限公司 建井三處，河南 平頂山 467000)

隨著煤炭開采水平的逐步延深，目前平頂山礦區已進入深部開采階段，各種地質災害因素風險性增加，水害、煤與瓦斯和頂板的綜合管理成為新一階段所要面臨的安全問題，采取一種綜合施工與聯合支護方案解決以上問題尤為重要。國內外專家在復雜地質構造帶條件下巷道的安全、快速施工方面也做了很多研究，分別提出了復合型全封閉支護技術[1]、錨噴注聯合支護技術[2]、以高阻可縮性U型鋼和高強度錨索為主的棚索協調支護技術[3]、U型鋼壁后注漿[4]、錨架充支護技術[5]、軟巖巷道錨注耦合技術[6]等，并已應用于工程實踐，均較好地控制了圍巖的穩定性。平煤股份二礦-700 m高位瓦斯巷埋深達800～1 000 m，受張家逆斷層和竹園逆斷層共同作用，需要按-10°坡度斜穿復雜地質構造帶，原設計支護形式為錨網噴+錨索，已經不足以應對圍巖壓力[7]。經過要素分析，工作面面臨的技術難題主要有斷層帶跨度大、圍巖極其破碎、沖擊地壓的影響、裂隙發育和煤與瓦斯突出等綜合作用，如果單一采用某種聯合支護方式，很難兼顧解決所有技術難題。經過對技術難題和一般應對措施的討論和分析，制定出了預注、托頂、環掘、U鋼與錨注聯合支護的綜合施工方案，安全快速完成了復雜地質構造帶的施工，并通過十字位移法定期檢測巷道的變形情況，結果符合要求，達到了預期目的。

1 工程概況

平煤股份二礦-700 m高位瓦斯巷設計全長為2 298 m，平巷段設計長度100 m，-10°斜巷設計長度446 m，剩余1 752 m為+3‰上山，巷道施工為直墻半圓拱形，凈寬5 400 mm，凈高4 100 mm，S凈=19 m2，支護形式為錨網噴+錨索聯合支護，該工程地面標高+150～+280 m，井下標高-669～-740 m，埋藏深度已達到800～1 000 m。其中，-10°斜巷段穿層施工期間需要穿過異常地質構造帶，由于張家逆斷層和竹園逆斷層共同作用，巷道頂板的己組煤層被拉至巷道底板以下，異常地質構造帶形態更復雜，影響范圍更大。

2 技術方案的研究

根據巷道在穿過異常地質構造帶時會遇到的技術問題和一般應對措施，分析符合工程實際的有效措施(表1)，按照有效措施與實際施工工藝相結合的方法制定出一套具有針對性的巷道綜合支護技術[8]方案：采用超長管棚和預注漿相結合加固巖體[9]；管縫錨桿超前支護托頂后預留中心巖體，小循環環形擴刷掘進；采用U型鋼與噴漿聯合支護封閉巖體；錨桿、錨索深淺部聯合壁后注漿[10]二次支護。

表1 有效措施分析Tab.1 Analysis of effective measures

3 技術方案的實施

3.1 超長管棚和預注漿相結合加固巖體

采用管棚注漿法固化巷道拱部輪廓線外3 m巖體，增強異常地質構造帶圍巖的整體性，封堵裂隙水，加固巷道圍巖。超前鉆孔的施工還可以釋放工作面前方圍巖應力，避免出現沖擊地壓[11]。

(1)管棚注漿設計參數。管棚鉆孔布置在距巷道頂板輪廓線以下0.5 m的弧線上，管棚長度10 m(管棚由φ50 mm×6 000 mm無縫鋼管加工制作，在地面事先把2根無縫鋼管合為1組進行如下加工[12]：第1根一端攻絲以便與第2根鋼管之間用直箍聯接，另一端用5 mm鐵板把管口焊死堵嚴，鋼管管體用氣割方法均勻布置20個φ18 mm出漿孔；第2根一端攻絲以便與第1根鋼管之間用直箍連接，另一端用厚5 mm鐵板把管口焊死堵嚴，鐵板上焊25 mm和20 mm接頭，分別作為進漿孔和出氣孔)，仰角2°，共布置13根，控制巷道輪廓線外3 m內煤巖體(擴散半徑按1.5 m控制)，孔深12 m。為保證施工安全，每一輪管棚注漿完成后，預留不小于1 m管棚注漿超前距與下次注漿搭接(圖1)。注漿壓力為2.5～3.0 MPa，水泥漿液水灰比(質量比)為1∶(0.8～1.0)，水泥漿液與水玻璃漿液的體積比為1∶0.4(當注漿時不升壓，出現串孔、跑漏漿情況時，采用雙液漿進行封堵)。管棚注漿根據實際地質情況逐輪增加，直到注漿至巖石穩定。

圖1 管棚注漿鉆孔剖面布置Fig.1 Section layout of pipe roof grouting borehole

(2)施工工藝。 按照設計位置和深度進行布孔后鑿孔；成孔后及時安裝注漿管，并用水泥錨固劑固定；注漿管安裝完畢后，先安球型閥，再安裝四通及卸壓閥，最后連接高壓注漿管，注漿管應與四通或球閥用鐵絲連接，防止脫扣傷人；將管路連接好以后，開泵注壓清水，測定巷道壁的受注能力，檢查巷壁是否有漏水現象，如有漏水現象，在注漿前進行處理；根據壓力實驗情況進行漿液配比，達到設計注漿壓力和加固的效果，即可停止注漿。

(3)注意事項。在注漿過程中出現跑、漏漿情況，可采取糊、停、點注等方法處理，以減少漿液損失，達到注漿預期目的；注漿前，要認真檢查注漿機具，保證注漿泵、混合器、孔口位置、管路及壓力表運轉正常，使用可靠；注漿期間，司泵工要不斷檢查注漿設備及管路的完好情況，保證注漿工作順利進行；注漿前漿液要充分攪拌，進漿過程中要隨時觀察壓力表和孔口周圍，當注漿壓力達到設計終壓或巷壁出現異常時，立即停泵關閥或打開卸漿閥；因故障等原因不能連續注漿作業時，要用清水對注漿泵和注漿管路反復沖洗，防止漿液凝固，堵塞管路。

3.2 超前支護托頂、小循環環形擴刷掘進

工作面預注漿后頂板圍巖整體性得到改善，然后沿巷道輪廓線拱基線以上拱部內100 mm位置打1排φ40 mm×2 400 mm管縫式錨桿，間排距300 mm×500 mm，外扎10°，形成一個管棚支護區，對前方預掘巷道頂板進行超前臨時支護，在臨時支護下進行巖體擴刷和36U型鋼支護，增加了安全施工可靠性。

在工作面中心位置底板以上1.7 m、左右各1.0 m的范圍內預留不小于5 m長的中心巖體不破壞，然后由上向下擴刷中心巖體以外至巷道輪廓線的巖石，風鎬掘進或放震動炮掘進，每循環掘進不大于0.5 m，形成環形工作面(圖2)。中心巖體可以維持工作面前方圍巖穩定，并為架棚子提供了作業平臺，在接近煤層時也降低了煤與瓦斯突出的風險。中心巖體長度大于7 m后(以不影響耙斗機出渣為上限)即可在擴刷環形工作面的同時在中心巖體施工炮眼，放小炮掘進中心巖體，中心巖體每循環掘進不大于1 m。

3.3 U型鋼與噴漿聯合支護封閉巖體

根據巷道使用條件，縮小巷道斷面，變更為U型鋼+背板背網支護斷面。架設36U型鋼支架支護[13]，棚距0.5 m，U型鋼卡纜必須連接緊固，棚后剎緊背實，背板采用60 mm×40 mm×700 mm木板，間距500 mm，背網采用φ4 mm、網格60 mm×60 mm冷拔絲網，每道U型鋼卡纜連接處必須設拉桿與相鄰U鋼連接緊固，每個支腿用2根等強錨桿配合槽鋼鎖腿，增強U型鋼的支撐能力。對工作面5 m后的金支巷道全斷面噴漿封閉，噴射混凝土強度C20，厚度200 mm，分2次噴成巷，首次噴射混凝土厚度100 mm，主要是封閉圍巖，防止注漿時漿液流出；第2次噴射混凝土厚度100 mm，主要是與U型鋼聯合作用形成封閉的整體，增加抵抗能力，減少巖石風化。

圖2 環形擴刷掘進斷面Fig.2 Circular expanding brush driving section

3.4 深淺部聯合壁后注漿二次支護

對噴漿封閉的巷道采用注漿錨桿與注漿錨索聯合壁后注漿二次支護(圖3)，充分利用注漿和懸吊理論的特點，充填并加固了巷道兩幫及頂部圍巖。

圖3 深淺部聯合注漿斷面布置Fig.3 Layout of deep and shallow joint grouting section

(1)注漿參數。深部注漿采用注漿錨索進行壁后注漿[14]，注漿錨索為φ22 mm×7.3 m，間排距2.5 m×2.5 m；淺部注漿采用注漿錨桿進行壁后注漿，注漿錨桿為φ25 mm×4 m，間排距1.0 m×0.5 m，深部和淺部注漿液均采用水泥漿單液。漿液配比：淺孔水灰質量比取1∶(0.6～0.8)，深孔水灰質量比取1∶(0.8～1.0)。注漿壓力：淺孔注漿壓力選擇1.5～2.0 MPa，深孔注漿壓力選擇2.5～3.0 MPa，可根據現場情況和注漿效果做相應的調整。

(2)注漿工藝。在巷道周邊按照設計位置進行均勻布孔，注漿孔淺孔間排距為1.0 m×0.5 m，深孔間排距為2.8 m×2.8 m，按設計深度鑿孔，施工時按5排為一輪先施工一輪淺孔，按照要求進行注漿，然后再施工一輪淺孔，注漿完成后，再按2排為一輪施工一輪深孔并注漿，始終保持淺孔超前深孔一輪；根據注漿孔的深度安裝已準備好的專用注漿錨桿或錨索，然后緊固并固定好注漿錨桿或錨索；注漿錨桿或錨索安裝好后，安裝球型閥，最后連接高壓注漿管；按注漿管路要求，將管路連接好以后，開泵注清水，測定巷道壁的受注能力，檢查巷壁是否有漏水現象，如有漏水，在注漿前進行處理；注漿時自下向上進行，先注巷道底角注漿孔，依次向上進行注漿；注漿時觀察進漿情況，隨時調整流量、漿液濃度，達到設計注漿壓力和加固的效果，即可停止注漿。

3.5 效果檢驗

在深淺孔注漿后對巷道進行位移監測，位移監測采用十字位移布點法(圖4)，深淺孔注漿后1、5、10 d監測數據見表2。

圖4 位移觀測十字布點示意Fig.4 Cross point layout of displacement observation

表2 位移監測數據統計Tab.2 Statistical of displacement monitoring data

通過位移檢測數據分析得出，15 d內巷道變形量符合《煤礦井巷工程質量驗收規范》中可縮性支架支護巷道斷面規格的允許偏差[15]的規定，證明技術方案達到預期效果。

4 結論

平煤股份二礦-700 m高位瓦斯巷施工期間，通過采用超前支護先行、環形擴刷短掘進、U型鋼噴漿封閉和深淺部聯合注漿的綜合施工工藝，達到了安全快速施工的目的，取得了平均月進度不低于55 m的良好成績，為平煤類似埋藏較深、地壓大、構造較多等條件下巷道的安全快速施工提供了經驗。