大斷面斜井過破碎帶支護技術研究

張 波

（山西煤炭運銷集團掌石溝煤礦，山西 晉城048000）

煤礦斜井施工都要穿越表土層和基巖段。對于井筒支護，表土層段一般采用鋼筋混凝土砌碹支護，基巖段一般采用錨網噴支護。當斜井施工過程中遇到破碎帶時，圍巖結構和力學性質發生改變，不僅降低了井筒的施工進度，也增加了井筒支護的難度。井筒在過破碎帶期間，工作面圍巖結構發生離層、變形，最后生發片幫、冒頂，僅采用傳統的錨網噴支護已不能滿足井筒永久工程支護的要求。因此，如何在破碎帶采取合理且有效的支護型式是一項非常重要的工作。本文以山西煤炭運銷集團掌石溝煤業主斜井井筒過破碎帶施工為例，對斜井過破碎帶期間井筒支護技術及施工組織進行闡述，為類似條件下大斷面斜井施工提供一定的參考。

1 概況

山西煤炭運銷集團掌石溝煤業有限公司為資源整合兼并重組煤礦。該礦為低瓦斯礦井，水文地質類型劃分為中等，于2011年開工建設。井田面積為5.480 2 km2，礦井可采儲量為24.32 Mt，主采9號煤和15號煤。礦井設計生產能力為90 Mt/a，開拓方式為斜井單水平開拓，新建主斜井和副斜井用于運煤、運料、行人和進風，原主立井用作回風井。

掌石溝煤煤礦主斜井設計長度504 m，傾角16°，主斜井半圓拱斷面，凈寬5.0 m，凈高3.9 m，凈斷面16.81 m2，表土層段采用C30混凝土砌碹支護。基巖段采用C20混凝土錨噴半圓拱支護，巷道主要采用機械化掘進施工工藝，截止目前巷道已掘進60 m；由于巷道在開口前210 m范圍內巷道頂板圍巖主要為黃沙土段，圍巖強度較低，膠結水平差，變形量大，變形持續時間長，在前期掘進過程中頂板破碎嚴重，巷道成效率差，形成圍巖破碎區，破碎帶長度達80 m。

受圍巖破碎影響，機械化掘進時巷道掘進量控制難度大，造成空頂距加大，支護不及時，而且原支護工藝不能有效對破碎區圍巖進行控制，通過技術研究，為了加快破碎區巷道掘進速度，決定采用全斷面光面爆破施工工藝，以及圍巖聯合支護技術[1]。

2 破碎區域巷道掘進施工方案

2.1 巷道掘進工藝

為了保證巷道安全快速過破碎帶，決定采用光面爆破施工工藝，具體施工工序如下：

1）爆破孔采用YT-28型鑿巖機配Φ22 mm六角中空鋼釬及Φ43 mm“一”字型合金鉆頭打眼；主斜井破碎段全斷面共計布置97個光面爆破孔，其中掏槽孔7個（1—7號），孔深為2.2 m，輔助孔41個（8—48號），孔深為2.0 m，周邊孔49個（49—97號），孔深為2.0 m，如下頁圖1所示，炮孔成拱形布置。

2）所有炮孔施工完后，依次對炮孔內填裝煤礦許用水膠炸藥以及毫秒延期電雷管，其中掏槽孔單孔裝藥量為1.0 kg，其它炮孔單孔裝藥量為0.7 kg，爆破循環進尺1.8 m，炮眼利用率85%，正規循環率85%[2]。

2.2 裝矸運輸方式

主斜井爆破掘進后采用P-60（B）型耙巖機配合6 m3箕斗進行裝矸；提升采用單鉤提升系統，即主提升機為JK-2.5/30型提升機配合6 m3前傾式箕斗提矸、下料。提升出井的矸石利用6 m3箕斗的翻矸裝置，把矸石卸載至儲矸倉內，用汽車在儲矸倉下部接矸，并運至指定地點進行排矸。

3 破碎區巷道圍巖支護技術

為了保證巷道安全快速過破碎區，決定對破碎區采取“管式前探超前臨時支護+架設U29型鋼棚+二次噴砼”聯合支護設計[3]。

圖1 主斜井破碎帶區全斷面光面爆破炮眼布置平剖面示意圖（mm）

3.1 管式前探超前臨時支護

1）超前支護結構：超前支護體主要采用直徑為30 mm無縫鋼管制成的穿管式前探梁，長度為5.0 m，每排超前支護共計9根穿管式前探梁組成。

2）施工工藝：巷道第一循環爆破施工且支護完成后，采用手持式在工作面拱形頂板處施工一排超前支護鉆孔，孔深為5.0 m，直徑為32 mm，鉆孔垂直煤壁布置；超前支護鉆孔施工完成后，依次對鉆孔內安裝超前支護，安裝時9根前探梁以巷道中心線為中心對稱布置，中間一根，兩側各四根；管式前探超前臨時支護巷道繼續進行下一循環作業，在爆破鉆孔施工時頂板鉆孔與超前支護布置間距為0.4 m[4]。

3.2 U29型鋼棚支護

1）每架U29型鋼棚支護主要由兩節棚腿、兩個底座、三節弧形頂梁以及拉桿、卡纜等部分組成，如圖2所示；鋼棚架設間距為0.8 m，鋼棚撐拉桿采用金屬鋼板制作，規格為長650 mm、寬50 mm、厚5 mm，每架棚撐拉桿不少于5道。

2）鋼棚支護順序：底座→棚腿→頂梁→安裝拉桿；所有鋼棚支設完成后，在鋼棚與圍巖間隙處安裝規格為長1 000 mm、寬100 mm、厚80 mm砼背板，背板間距為300 mm。

3）工作面架棚支護時，將要支設的頂梁和鋼筋網放置在前探梁上方，然后將前探梁移至工作面空頂區域。前探梁上方被支設的棚梁和鋼筋網按規定的棚距固定好并接頂嚴實，然后在前探梁下方進行出矸和支護棚腿等方面的作業。網片為Φ6 mm的鋼筋焊接網，長2.4 m、寬1.3 m，網孔規格為100 mm×100 mm，網與網搭接長度100 mm，聯網間距100 mm，采用雙股14號鐵絲進行聯接。

圖2 主斜井破碎區聯合支護斷面示意圖

3.3 噴漿施工

所有鋼棚架設完成后對破碎區進行噴漿施工，從而對破碎區圍巖進行封堵處理[5]。

1）噴漿料采用水泥、沙子、石子原料混合的混凝土漿液，原料質量配比為1∶2∶2，混凝土料在地面進行集中攪拌制作，利用斜井提升系統將混凝土料運至工作面，采用GSP-D濕式混凝土噴漿泵進行噴漿施工。

2）噴漿前按設計規格尺寸放好邊線，由外向里，先墻后拱進行噴漿，初噴厚度為50~70 mm，待耙巖機前移后復噴至設計厚度200 mm。

4 結論

截止2019年11月主斜井已完全過破碎區，通過對破碎區采取“管式前探超前臨時支護+架設U29型鋼棚+二次噴砼”聯合支護后，巷道未出現破碎、垮落現象，掘進速度提高至3.6 m/d，取得了顯著應用成效：

1）對破碎區頂板及時采取管式前探超前臨時支護后，可有效對工作面前方應力區圍巖進行超前支護，避免了在應力以及爆破震動作用下，工作面前方煤巖體出現超前破碎、垮落現象，提高了應力區頂板連續穩定性。

2）U29型鋼棚屬于被動支護，當應力區圍巖出現變形、下沉時鋼棚對圍巖產生一個方向支撐作用，阻止和控制圍巖變形現象，從而防止了裂隙圍巖擴張破壞作用，提高了圍巖錨注支護效果。

3）通過對應力區圍巖采取噴漿施工后，可有效對破碎圍巖外表裂隙帶進行填充、封堵，防止了應力在裂隙帶出現進行卸壓施工，導致巖體產生卸壓擴張破壞作用。