煤巷掘進過斷層破碎帶超前支護研究

林利軍

(山西汾西礦業集團公司 安全監察中心，山西 介休 032000)

斷層是影響煤炭回采效率及生產安全的常見構造類型，巷道在斷層影響區內掘進期間，特別是斷層具有一定導水性時，巷道掘進迎頭容易出現淋水、冒頂、圍巖變形量大等問題[1-2]。注漿是封堵斷層破碎帶內導水裂隙、提高破碎煤巖體穩定性及強度的主要技術方法[3-5]。巷道圍巖支護中最為常用的支護手段即為錨網索支護，將錨網索與U型架棚共同作業，可起到較好控制圍巖變形的目的[6-10]。山西某礦+350運輸巷掘進期間揭露有DF16斷層，過斷層破碎帶時面臨圍巖破碎、頂板冒落、支護困難以及淋水等問題。為此，文中根據現場情況并結合以往類似情況處理經驗，提出采用超前注漿+預應力錨索+U型架棚支護方式，有效解決斷層破碎帶涌水以及圍巖變形量大等問題。

1 工程概況

+350運輸巷沿著開采的6號煤層頂板掘進，巷道設計斷面為直墻半圓拱型，巷道掘進區域埋深平均320 m.現開采水平煤層無突出危險性，6號煤層原始瓦斯含量3.9～5.2 m3/t、瓦斯壓力為0.37～0.42 MPa.+350運輸巷為直墻半圓拱斷面，掘寬、掘高分別為5 720 mm、4 680 mm，原設計采用錨網噴方式，表層噴射厚度120 mm混凝土。根據現有資料顯示，+350運輸巷掘進揭露有DF16斷層(H=3～15 m，185°∠39°)，具體見圖1.在DF16斷層影響區內構造應力集中、煤巖體破碎，煤層局部位置傾角出現變化，預測斷層破碎帶寬度約為12 m.+350運輸巷掘進過DF16斷層期間頂板為厚度3.7～9.4 m的砂質泥巖、底板為厚度6.2～7.5 m的鋁質泥巖。

圖1 DF16斷層剖面圖

2 施工技術方案

根據DF16斷層的實際情況，提出采用預注漿+預應力錨桿(索)+U型架棚方式封堵潛在的導水裂隙并控制圍巖。在巷道掘進至距離DF16斷層30 m時，即在掘進迎頭砌筑混凝土止漿墻，后向斷層破碎帶進行超前注漿，待漿液完全固結且封堵導水裂隙后，方可繼續掘進。在斷層破碎帶內布置的U型架棚支護間距控制在1.5 m.

2.1 混凝土止漿墻布置

在掘進迎頭布置止漿墻提高注漿安全系數，避免注漿期間出現涌水或者漏漿等事故。止漿墻厚度為2 m，砌筑材料為C30混凝土，分層砌筑(分層厚度400 mm以內)，并振搗密實；為封堵止漿墻與定板間縫隙，在接茬處噴射C25混凝土。止漿墻施工前在砌筑位置巷幫及底板開槽，開槽后巷道寬度為6 720 mm、高度為5 680 mm.具體施工的混凝土擋墻結構見圖2.

圖2 混凝土擋墻結構示意圖(mm)

2.2 注漿鉆孔布置及注漿參數設計

2.2.1 注漿鉆孔布置

為避免巷道掘進過DF16斷層破碎帶時出現淋水問題，提出通過超前注漿方式封堵導水裂隙并提高破碎巖體穩定性。注漿鉆孔沿著巷道軸向布置，見圖3.布置的鉆孔孔深統一為60 m、孔徑為85 mm；在鉆孔孔口處布置孔徑130 mm(外徑130 mm、內徑108 mm)、長度4 500 mm的孔口管。

圖3 注漿鉆孔布置示意(mm)

2.2.2 注漿參數

注漿漿液為水泥單液漿，注漿水灰比配比有3種，分別為0.75∶1、1∶1及2∶1，具體水泥漿配制見表1.在水泥漿中添加一定量的水玻璃改善水泥漿性能，采用的水玻璃模數及濃度分別為2.4～3.0、35～42 Be.

表1 注漿漿液配備

在斷層破碎帶內注漿時注漿壓力設定為5 MPa，具體注漿漿液注入量可通過下述公式計算：

(1)

式中：Q為注漿鉆孔注入量，m3；A為注漿漿液消耗系數，取1.5；H為注漿鉆孔孔深，取60 m；R為注漿漿液有效擴散距離，斷層破碎帶內取5 m；n為斷層破碎帶孔隙率，取5%；β為注漿漿液充填系數，取0.95；N為注漿鉆孔數量，取5個；m為結石率，取85%.將上述參數帶入公式(1)中即可求得注漿總量約為2 000 m3.

2.3 圍巖支護設計

在過斷層破碎帶時采用預應力錨桿(索)支護圍巖，并采用短掘短支工藝降低巷道掘進難度并控制圍巖變形量。支護用錨桿為螺紋鋼錨桿(D22 mm×2 200 mm)、間排距均為700 mm，錨索為鋼絞線(D21.8 mm×7 500 mm)、間排距1 600 mm×1 800 mm.錨桿、錨索施加預緊力分別為50 kN、120 kN以上。

2.4 架棚支護

過斷層破碎帶時用的U型鋼強化破碎圍巖表面支護強度。巷道掘進后即刻噴射厚度50 mm、強度C20的混凝土，通過除噴封閉巷道表面裂隙并給圍巖一定支護強度；隨后架設U型鋼支架控制圍巖變形，采用的U型鋼支架規格為5 500 mm×4 700 mm.頂梁兩端搭接至棚腿彎曲部，搭接長度控制在450 mm；上頂梁時采用木板、鋼管及管扣架設施工平臺。架棚架設時應確保鋼棚間附件、拉桿等設備齊全，U型鋼采用混凝土板與頂板及巷幫背實。

3 圍巖控制效果分析

在+350運輸巷掘進過DF16斷層破碎帶時，綜合使用超前注漿、預應力錨桿(索)以及鋼架棚等支護方式對破碎帶圍巖進行控制。支護完成后對巷道圍巖變形進行監測，具體監測結果見圖4.從監測結果看出，對斷層破碎帶進行注漿、錨網索及架棚支護后，巷道在支護初期(支護完成10 d內)圍巖變形速度較大，頂板及巷幫最大變形速度分別為2.6 mm/d、4.5 mm/d；隨著支護時間增加，圍巖變形速度呈不斷降低趨勢，支護完成40 d后頂板及巷幫變形速度均降低0.02 mm/d以內；頂板及巷幫最大變形量分別為53 mm、92 mm，圍巖變形量在允許范圍內，不會影響巷道后續使用。

圖4 圍巖變形統計結果

4 結 語

1) +350運輸巷掘進期間會揭露DF16斷層，通過前期物探資料顯示，該斷層破碎帶具有一定導水性，由于6號煤層頂底板含水層富水性較差，預計巷道掘進過該斷層破碎帶時圍巖涌出量較小。由于6號煤層頂底板巖性以泥巖為主，遇水后容易出現弱化、崩解等問題，給巷道掘進帶來較大影響。為此，提出采用超前注漿+預應力錨桿(索)+架棚方式控制斷層破碎帶圍巖。

2) 依據現場條件對注漿鉆孔布置、注漿參數、預應力錨桿(索)及架棚等支護參數進行設計，并進行工程應用。應用后，巷道在破碎帶掘進時,圍巖未出現淋水情況、掘進迎頭未出現頂板冒落，同時支護后40 d時,圍巖變形即趨于穩定，圍巖變形量整體較小。