嚴重沖擊地壓礦井過大型構造區施工方法

白 楊，李晶昆

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

斷層是煤礦施工中常見的地質構造，在沖擊地壓礦井，斷層等地質構造通常是應力集中區[1-3]。斷層附近圍巖穩定性差，承載能力弱，易發生沖擊地壓、頂部、水等災害，而采取何種方法通過大型構造區的是現階段沖擊地壓礦井掘進施工的一大難點[4-6]。為此，以孟村礦井中央大巷過大型斷層施工方法為研究對象，采用理論分析、案例類比、現場觀測圍巖變形等，提出以選擇合適巷道層位為基礎，通過預注漿加固、強化卸壓、配合錨注支護和可伸縮支架配合的強化支護措施，形成完整的沖擊地壓礦井過大型構造區的施工方法。

1 工程概況及影響因素

1.1 工程概況

地質構造：該井田以發育寬緩的褶曲為主，含煤地層沿走向、傾向的產狀變化不大，斷層局部較發育，無巖漿活動影響。①褶曲。村井田內各褶曲都有鉆孔控制，各褶曲軸向為NE～NEE，兩翼傾角一般3°～5°，最大7°～8°；兩翼起伏幅度80～180 m。井田褶曲與煤系、煤層的沉積分布及其厚度變化關系密切。一般向斜軸部煤系、煤層較厚，背斜軸部煤系、煤層較薄。②斷層。井田內先期開采區內賦存有DF29大斷層及次級中小斷層，其延展長度約3 km，落差0～38 m，在一定程度影響井下開拓布置。

水文地質:礦井水文地質類型為“復雜”型。礦井主要含水層7層，主要隔水層4層，其中對礦井生產影響較大的為白堊系洛河組砂巖含水層，以中-粗粒砂巖為主，與4號煤層頂板間距40～180 m。

煤層頂底板:4號煤層直接頂為較易冒落的泥巖、炭質泥巖，厚度多在2 m以內，為半堅硬不穩定頂板。基本頂為中砂巖、粗砂巖，為半堅硬較穩定頂板。煤層底板以灰褐色鋁土質泥巖為主，夾雜有薄層狀炭質泥巖，厚度一般1.0～8.0 m。團塊狀，含黃鐵礦、菱鐵礦鮞粒及植物根系化石，遇水易膨脹，穩定性差。

沖擊地壓:2014年，經沖擊傾向性鑒定，4號煤層屬Ⅲ類，具有強沖擊傾向性的煤層，頂板巖層屬Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性的頂板巖層，底板巖層屬Ⅰ類，無沖擊傾向性的底板巖層。2019年，4號煤層沖擊危險性評價結果為具有強沖擊危險性的煤層，礦井為嚴重沖擊地壓礦井。

1.2 大型構造區影響因素分析

沖擊地壓:孟村煤礦中央大巷布置在4號煤層中(嚴重沖擊地壓煤層)，通過對中央大巷附近的微震活動進行分析，得出中央大巷的穩定性主要受地質構造、采掘擾動影響較大。因此，在沖擊危險評價及治理過程中，地質構造區域及采掘擾動(尤其是中央大巷本身的掘進擾動)影響區域應被視為治理重點區域[7-9]。中央大巷沖擊危險的主要影響因素為煤巖沖擊傾向性、地質構造、地應力大小和方向、底煤厚度。礦井委托資質機構對中央大巷進行了沖擊地壓安全性論證，考慮受到地質條件、開采技術、經濟條件等因素的限制，中央大巷不具備重新布置條件，礦井在嚴格按照《煤礦安全規程》《防治煤礦沖擊地壓細則》等相關規定執行，同時在確保中央大巷沖擊地壓監測、防治解危措施落實到位的基礎上，中央大巷具備安全掘進及進一步使用的條件。

水害:當巷道穿越斷層期間，預計巷道正常涌水量為10～15 m3/h。若巷道內部圍巖裂隙將二次發育并重新分布，不排除斷層導通煤層頂板直接含水層的可能性，以煤層上覆延安組、直羅組砂巖裂隙含水層和洛河組砂巖含水層為主，涌水量可能會急劇增大，預計涌水量達300 m3/h以上。

頂板災害：在井下巷道掘進過程中，在中央大巷及首采工作面均揭露三維地震勘探的DF29斷層，斷距為15～40 m。在斷層揭露期間均出現不同程度的頂板破碎、頂板淋水、漏頂及原油滲漏現象，對巷道正常施工造成較大的影響[10-12]。

底鼓影響：由于煤層底板以鋁土質泥巖為主，遇水易膨脹，穩定性差。施工期間和完成后，需嚴格落實控水防鼓措施。

2 施工案例

2.1 案例一

案例一為中央二號輔運大巷，直墻半圓拱斷面，掘進斷面積23.2 m2。

巷道層位布置：DF29斷層為正斷層，掘進工作面位于斷層上盤，為減少巷道坡度對掘進及后續礦井生產的影響，中央二號輔運大巷過斷層期間采取最大坡度不大于6°的方案施工，通過斷層后，先進入對盤的底板(鋁質泥巖)，之后再進入煤層中。

深孔預注漿加固措施:根據地質超前探測情況，結合礦井其它巷道揭露斷層情況，預計過斷層期間易出現煤體破碎、層理交錯等現象，綜合考慮災害預防、治理因素，在掘進前首先采取預注漿加固措施，預注漿采用徑向斜孔布孔方式，自巷中向周邊均勻布置，孔口距巷道掘進輪廓線300 mm，鉆孔沿巷道方向布置，孔深70 m，孔口管采用φ108 mm鋼管制作，每根長度6 m；注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。

卸壓防沖措施:根據“預測預報、逢掘必卸、不卸不掘、強支強卸”沖擊地壓防治原則，在掘進時采用大直徑鉆孔卸壓方案。

支護方案:嚴格執行“短掘短支”措施，循環進尺0.7 m，首先采用錨網索進行臨時支護并初噴，錨桿規格采用φ22 mm×2 500 mm，間排距700 mm×700 mm，托盤規格采用150 mm×150 mm×10 mm，網片采用Φ6鋼筋網；錨索采用φ21.8 mm×7 100 mm，間排距1 200 mm×1 400 mm，“五五”布置，托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強碟形托盤，臨時支護后初噴50 mm；之后采用29U可伸縮性支架進行加固，棚間距700 mm，相鄰兩棚之間采用三道防倒器進行鏈接，棚腿底部焊接底座，底座采用Q235鋼板，規格為300 mm×300 mm×10 mm，架設時在巷道底板澆筑300 mm×300 mm見方的混凝土棚腿基礎，增加支護強度，棚頂及幫部采用道木背實，最后噴漿封閉成巷，底板采用混凝土鋪底，鋪底厚度150 mm。

2.2 案例二

案例二為中央二號回風大巷，直墻半圓拱斷面，掘進斷面積25.3 m2。

巷道層位布置：為減少后續巷道維護量，綜合考慮巷道后續用途，中央二號回風大巷過斷層期間采取最大坡度不大于10°的方案施工，預先提高巷道層位，通過斷層后，直接進入對盤煤層中。

淺孔預注漿加固措施:在掘進前首先采取淺預注漿加固措施，預注漿采用徑向斜孔布孔方式，自巷中向周邊均勻布置，孔口距巷道掘進輪廓線300 mm，鉆孔沿巷道方向布置，孔深7 m，孔口管采用φ20 mm鋼管制作，每根長度5 m，注漿循環進度為5 m；注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。

卸壓防沖措施:根據“預測預報、逢掘必卸、不卸不掘、強支強卸”沖擊地壓防治原則，在掘進時采用大直徑鉆孔卸壓方案，必要時采取局部強化卸壓措施。

支護方案:堅持“強頂固幫”原則，采取錨注支護技術，同時優化循環進度，循環進尺1.4 m，遇頂板破碎、壓力顯現等情況時，嚴格執行“短掘短支”措施，循環進尺調整為0.7 m。首先采用注漿錨網索進行臨時支護并初噴，錨桿規格采用φ22 mm×2 500 mm，間排距700 mm×700 mm，托盤規格采用150 mm×150 mm×10 mm，網片采用φ6 mm鋼筋網；錨索采用φ21.8 mm×7 100 mm中空注漿錨索，間排距1 200 mm×1 400 mm，“五五”布置，托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強碟形托盤，注漿材料采用高強抗縮性注漿材料，注漿加固后初噴50 mm；之后采用29U可伸縮性支架進行加固，棚間距700 mm，相鄰兩棚之間采用三道防倒器進行連接，棚腿底部焊接底座，底座采用Q235鋼板，規格為300 mm×300 mm×10 mm，架設時在巷道底板澆筑300 mm×300 mm見方的混凝土棚腿基礎，增加支護強度，棚頂及幫部采用道木背實，并鋪設雙層鋼筋網，最后噴漿封閉成巷；底板采用混凝土鋪底，鋪底厚度50 mm。

2.3 效果對比分析

2.3.1 支護效果

由于積極采取了探放水措施，兩個施工案例在掘進前采取的預注漿方案將破碎的、松散的、不連續的受力體膠結成連續的、完整的受力體，提高煤巖體圍巖的整體穩定性，除起到堵水的作用外，對巷道圍巖也起到了連接加固的作用。在通過斷層面及掘進期間，巷道圍巖穩定，未出現頂板破碎、大面積冒落現象；29U可伸縮性支架的使用，不僅起到加強支護強度的作用，在后續巷道使用期間對控制巷道形變也有積極效果；同時也是“強支強護”的實際應用，對巷道的抗沖擊起到了至關重要的作用。案例二采用的中空注漿錨索支護方案，采用高強抗縮性注漿材料、高注漿壓力對圍巖進行錨注加固，實現錨索(錨桿)全長錨固，進一步提高了巷道的穩定性。

2.3.2 施工進度

注漿進度:案例一采用深孔注漿，注漿循環50 m，單輪注漿時間約一周(含施工鉆孔、止漿墻、注漿、封孔等工序)；案例二采用潛孔注漿，注漿循環5 m，單輪注漿時間為一天(含施工鉆孔、注漿、封孔等工序)。

掘進進度：案例一由煤層進入對盤底板鋁質泥巖中；案例二由斷層下盤穿入砂巖頂板再進入對盤煤層中；泥巖和砂巖在掘進期間，對掘進截割進度影響不大。

支護進度：案例一循環進度為0.7 m，采用普通錨索，錨索排距為1.4 m；案例二循環進度為1.4 m，采用中空注漿錨索，錨索排距0.7 m。在支護進度上，案例二錨索施工數量更多，且增加了注漿步驟，雖然在循環進尺上比案例一更大，優化集中各工序施工時間，但由于支護工序比案例一多，且循環進尺受制于圍巖揭露情況，故支護進度上較案例一更慢。

2.3.3 災害治理情況

由于兩個案例均采取了預注漿加固和大孔徑卸壓措施，同時堅持短循環，支護緊跟迎頭，過斷層期間未發生涌水、突水、沖擊地壓顯現和頂板事故。

2.3.4 巷道后續使用情況

頂板及兩幫移近量：通過對兩個案例中巷道的形變量、頂板離層量及沖擊地壓顯現次數進行觀察監測，如圖1所示，案例二在巷道形變量、頂板離層量及抗沖擊能力方面均優于案例一。

圖1 頂板及兩幫移近量監測結果

巷道層位選擇及支護形式：由于案例二布置于煤層砂巖頂板，采取錨注配合可伸縮支架的支護措施，而案例一布置在鋁質泥巖底板上，采取錨網索配合可伸縮支架的方案，導致在同等沖擊能量事件發生后，案例一中的巷道在抗沖擊能力方面較弱，且巷道形變量較大，特別是巷道支護薄弱的底板，在斷層影響區域底鼓量極大。

后期維護：兩個案例中的巷道在使用中，由于沖擊和巷道形變等影響，案例一巷道已難以滿足生產需要，雖經過多次加固維修，但由于巷道層位布置的影響，在后續使用中仍需長期維護。案例二中的巷道雖然出現局部漿皮開裂、個別U型棚形變等現象，但是在二次加強支護后，巷道能夠滿足安全生產需要。

3 結論

(1)在嚴重沖擊地壓礦井過大型構造區施工方法選擇上，通過理論分析、案例類比、現場觀測，采取淺孔多循環預注漿加固、強化卸壓、配合錨注配合可伸縮支架的強化支護，可保障過構造區在掘進及后續使用期間的安全可靠。

(2)從巷道后期使用和維護難度考慮，選擇合適巷道層位，對于布置在大型構造區、易發生沖擊破壞的巷道顯得尤為重要。

(3)在選擇巷道層位時，除考慮預計層位的沖擊傾向性，對比巖層穩定性和物理特性也是影響施工的關鍵因素，以孟村礦井為例，過構造區選擇頂板穩定砂巖明顯優于底板鋁質泥巖。