高河能源W4307輔運巷過斷層施工技術研究

趙晉澤

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

斷層是礦井生產過程中常遇的一種地質構造，由于斷層上下盤間相互擠壓錯動，導致斷層帶附近圍巖破碎不連續，承載性較差[1-3]。巷道掘進遭遇斷層時，需根據斷層賦存情況選擇合理的掘進工藝及支護方案，以保證巷道安全高效地通過斷層[4-5]。本文以高河能源W4307輔運巷過Fw159逆斷層為工程背景，展開巷道過斷層施工技術研究，保證掘進面的安全生產。

1 工程背景

1.1 工作面概況

高河能源W4307工作面主采3號煤層。3號煤層位于山西組下部，平均埋深為500 m，平均煤厚6.6 m，煤層傾角1～5°，煤層結構簡單，含泥巖及炭質泥巖夾矸0～5層，一般1～2層。煤層頂板為泥巖、砂質泥巖，底板為泥巖、細粒砂巖，具體頂底板結構如表1所示。

表1 煤層頂底板結構

1.2 斷層構造情況

W4307輔運巷主要擔負工作面的運輸及進風任務，W4307進、回風巷在掘進時揭露了Fw159斷層，由于斷層帶應力集中，圍巖破碎，導致進、回風巷過斷層時維護困難。為保證W4307輔運巷安全、順利通過斷層，需提前探明輔運巷前方Fw159斷層的產狀及位置，為巷道支護及施工措施提供依據。

在W4307輔運巷里程1 981 m及里程2 031 m處布置探查鉆孔，根據探查孔得出，Fw159斷層預計在W4307輔運巷2 077 m處揭露，該斷層為斷層傾角∠51°的逆斷層，落差為4 m，斷層走向為N22°W，與巷道設計方位呈70°夾角。根據斷層傾角、落差分析，預計斷層影響區域為揭露斷層前2 m，揭露斷層后8 m，同時根據現場揭露情況及時收集數據，確保過斷層期間的施工安全。Fw159斷層與巷道位置關系如圖1所示。

圖1 Fw159斷層與巷道位置關系圖

1.3 水文地質情況

根據瞬變電磁勘探及W4307進風巷實際揭露情況分析，該區域內無富水區，水文條件較為穩定。該斷層無富水、無導水性。頂板受砂巖含水層影響，預計掘進工作面掘進期間頂板有少量淋水、滴水現象，正常涌水量為5 m3/h，最大涌水量為30 m3/h.

2 巷道過斷層施工工藝

2.1 掘進工藝

過斷層施工全長22.5 m，掘進期間需破底板巖石，破底巖厚度變化為由薄變厚，由厚變薄，預計破巖最大厚度為2.1 m.W4307輔運巷沿煤層底板掘進，迎頭位于斷層下盤，距揭露斷層17 m時，以8°下山留底煤掘進找到上盤煤層底板后，巷道沿煤層底板繼續施工。巷道掘進方案如圖2所示。

圖2 巷道掘進方案

巖石硬度較小時(f≤6)，采用掘進機截割；巖石硬度較大時(f>6)，采用放震動炮配合掘進機進行破巖。下部巖石部分采用震動炮法掘進，上部煤體部分采用掘進機配合人工掘進，過斷層施工時，先施工上部煤，后施工下部巖。

巷道掘進過程中，當上部煤厚≥2.4 m時，先施工上部煤，上部永久支護完畢后，對下部巖石放震動炮，循環進尺為1 000 mm；當上部煤厚<2.4 m時，先對下部巖石放震動炮松動巖石，然后再用掘進機割上部煤到巷道設計尺寸，循環進尺1 000 mm.

下半部分巖石放震動炮時：炮眼深度為1 200 mm，每排布置13個炮眼，間排距400 mm×400 mm，隨著破巖石厚度每增加400 mm，增加1排炮眼，每孔裝藥量為0.4 kg，采用YT28型風鉆濕式打眼，乳化炸藥及毫秒延期電雷管、電容起爆器。嚴格爆破作業，執行爆破安全技術措施相關內容。下部巖石放炮時，確保上一循環迎頭頂、幫永久支護到位。以最大破巖厚度2.1 m為例，其炮孔布置方案如圖3所示。

圖3 炮孔布置方案(mm)

2.2 圍巖支護方案

1) 錨網索+梯子梁支護。為保證巷道過斷層時圍巖的穩定性，采用“錨網索+梯子梁”的支護形式，將巷道原支護方案中的錨桿排距由1 000 mm縮小為600 mm.

其中，頂板錨桿為D22 mm×2 400 mm的左旋無縱肋高強螺紋鋼錨桿，間距為800 mm，排距為600 mm，每排布置6根，靠近兩幫的頂錨桿與垂線呈20°夾角向外側施工；頂錨索采用D22 mm×8 300 mm的鋼絞線，間距1 400 mm，排距600 mm，每排布置3根，兩邊錨索距巷道幫部1 250 mm，并通過雙筋梯子梁有效連接錨索，梯子梁長度5 000 mm，最后加掛金屬網進行護表支護。

采煤側巷幫采用“錨桿+單筋梯子梁”支護，錨桿間排距1 000 mm×600 mm，每排4根，最下排錨桿下斜10°施工，最上排錨桿上斜20°施工，采用2根長度分別為2 200 mm和1 200 mm的單筋梯子梁連接，并加掛塑鋼網；煤柱側巷幫錨桿間排距為800 mm×600 mm，每排5根，布置形式與采煤側相同，采用2根長度均為1 800 mm的單筋梯子梁連接，并加掛金屬網。

為保證支護強度，錨桿(索)錨固時，應保證錨桿預緊力矩不小于350 N·m，錨固力不小于190 kN，錨索張拉力須達到260 kN.具體支護方案如圖4所示。

圖4 巷道支護方案(mm)

2) 架棚支護。由于斷層影響區域應力復雜，局部區域存在應力集中或者卸壓現象，為保證順利通過，需在斷層面影響區域前后共15 m范圍內進行架棚支護。架棚滯后迎頭不得超過5 m，棚間距為600 mm.梯形棚采用11號礦用工字鋼制作，棚梁長度為4 700 mm，棚腿長3 750 mm，棚梁與棚腿夾角為99°，棚腿與幫之間、頂梁與頂板間隙用剎桿、道木、半圓木背實，棚間采用U型卡及鐵拉桿相連，頂、幫各兩道，頂部角鐵拉桿距梁頭1 000 mm，幫部角鐵拉桿分距底1 200 mm、2 400 mm，棚腿下墊200 mm×200 mm×50 mm木鞋板；每5架棚間采用4根4.2 m長鋼梁串梁連接，頂部兩道，兩幫幫部各一道，頂部串梁距梁頭1 200 mm，幫部串梁距底1 800 mm.棚架好后，棚腿底部采用C30混凝土澆筑，澆筑寬度300 mm，高度150 mm，澆筑采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，砼配合比為水∶水泥∶沙∶石子=0.38∶1∶1.11∶2.72.具體架棚支護方案如圖5、圖6所示。

圖5 架棚支護方案

圖6 工字鋼梁加工圖

3 支護效果分析

為觀測分析支護方案對W4307輔運巷過斷層時圍巖的控制效果，在巷道內布置監測點，采用“十字布點法”監測過斷層期間圍巖表面的位移量，監測持續48 d，每3 d統計1次數據。監測結果如圖7所示。

由圖7可知，在補強支護的控制下，W4307輔運巷過斷層影響區時，頂板的變形量相對高于兩幫變形量，圍巖在監測10 d內的變形速度最快，變形量大幅增加，并于18 d后逐漸趨于穩定，其中頂板的最大下沉量為88.9 mm，兩幫的最大移近量為67.2 mm，圍巖整體變形量較小，滿足安全生產需求，驗證了圍巖支護方案的合理性和適用性。

圖7 巷道圍巖位移曲線

4 結 語

1) 通過布置探查孔得出，Fw159斷層預計在W4307輔運巷2 077 m處揭露，該斷層為逆斷層，斷層傾角∠51°，落差4 m，斷層走向為N22°W，與巷道設計方位呈70°夾角，預計影響范圍約為10 m。

2) 針對斷層賦存情況及現場實際條件，提出了W4307巷道過斷層的掘進工藝及圍巖支護方案，現場應用結果表明，頂板的最大下沉量為88.9 mm，兩幫的最大移近量為67.2 mm，圍巖整體變形量較小，支護方案取得了良好的控制效果。