掘進巷道過斷層施工工藝優化

王躍楠

（晉能控股煤業集團長平公司，山西 晉城 046700）

1 概述

晉能控股煤業集團長平公司53041 巷北部相連為五盤區開拓大巷（已掘），東部為5304 工作面回采煤區、5303 工作面，西部為5305 工作面（尚未布置），南部為六盤區開拓大巷（正在布置）。53041 巷設計長度為2103 m，斷面寬×高=4.5 m×3.7 m，巷道布置在3#煤層中，煤層平均厚度為5.14 m，平均傾角為5°。煤層頂底板巖性見表1。

表1 53041 巷掘進的3#煤層頂底板巖性表

53041 巷采用綜合機械化掘進，巷道已掘進至1422 m。巷道掘進至1417 m 處揭露F2 正斷層，斷層落差為2.8 m，傾角為57°，斷層處巖體主要以砂質泥巖、碳質泥巖、粗砂巖為主。巷道底部主要為粗砂巖，巖體厚度為1.9 m，巖石普氏系數f ＞5.0；巷道頂部以泥巖為主。通過鉆探發現該斷層對巷道影響長度為42 m。

2 分層爆破施工工藝

2.1 掘進方案對比分析

根據巷道掘進現狀以及揭露斷層巖體情況，對53041 巷過F2 斷層提出了三種掘進方案：

方案一：機械強行破巖法。在過F2 斷層時采用掘進機強行截割斷層巖體。該方法優點是無需調整巷道掘進走向，實用性強。但是由于F2 斷層巖體主要以粗砂巖為主，巖體硬度高，掘進機破巖難度大、掘進速度慢，而且設備故障率高。

方案二：仰斜掘進施工。由于F2 斷層侵入后造成斷層下盤煤體上移，仰斜掘進即調整巷道上山角度，使巷道仰斜掘進到位后巷道底板沿斷層巖體表面掘進。該方法最大優點是減少了斷層巖體破巖量，但是在仰斜掘進時需穿層施工，受斷層影響，煤層穩定性差，在穿層過程中很容易出現頂板垮落事故。同時，巷道掘進40 m 后需再次調整巷道掘進角度進行下山掘進，造成巷道坡度大，不利于后期工作面回采。

方案三：分層爆破施工。分層爆破施工先對斷層下斷面堅硬巖體進行全斷面爆破，對上斷面巖體采用松動爆破，然后再采用掘進機出矸。該方法可降低巖體強度及掘進機破巖難度，降低了設備故障率，而且掘進速度快；但是在施工過程中受爆破震動影響，圍巖穩定性差，需對斷層區圍巖采取合理有效的支護技術。

通過三種施工方案對比分析，決定53041 巷過F2 斷層期間采用分層爆破施工工藝[1-5]。

2.2 施工工藝

（1）斷層底部巖體為粗砂巖，巖體硬度高，決定對該部分巖體采用全斷面光面爆破施工工藝。共計布置36 個爆破孔，其中掏槽孔4 個，深度為1.6 m；輔助孔8 個，深度為1.4 m；周邊孔24 個，深度為1.4 m。掏槽孔單孔裝藥量為1.2 kg，周邊孔及輔助孔單孔裝藥量為0.9 kg。其中掏槽孔、輔助孔、周邊孔依次填裝一支1#、3#、5#毫秒延期電雷管，延期時間為130 ms。

（2）下斷面光面爆破后對上斷面施工松動爆破孔，共計8 個孔，孔間距為0.5 m，孔深為1.0 m。鉆孔施工完后每個鉆孔內填裝一支礦用乳化炸藥以及一支毫秒延期電雷管，每次爆破鉆孔數量為4 個。

（3）采用的乳化炸藥為礦用三級抗水性炸藥，每支藥卷裝藥量為300 g，采用正向裝藥，雷管腳線采用串聯連接方式。光面爆破孔采用水炮泥封孔，長度不得低于0.8 m，松動爆破孔封孔長度不得低于0.5 m。

3 斷層區頂板支護技術

由于斷層區圍巖受構造應力以及爆破震動影響，巷道頂板穩定性差，易出現破碎、垮落現象，所以對原頂板支護進行優化，采取“超前管棚注漿+自鎖式讓壓錨桿+桁架錨索”聯合支護。

3.1 超前管棚注漿支護

由于53041 巷斷層區上部為3#煤層，煤層平均厚度為0.9 m，受采動影響煤層易垮落，導致頂板出現失穩現象，決定在爆破施工前對頂板施工一排超前管棚注漿支護。

（1）首先對頂板施工一排支護孔，孔間距為0.4 m，共計布置9 個支護孔，孔深度為3.5 m，直徑為35 mm，鉆孔垂直迎頭煤壁布置。

（2）支護孔施工完后對中部孔及兩側幫孔分別安裝一根長度3.5 m、直徑30 mm注漿管棚支護體。支護體中部為中空狀，中部孔直徑15 mm，端部為銷尖狀。在管體四周均勻布置一排注漿射孔，孔間距為0.5 m，直徑為10 mm。支護體采用錨固劑進行錨固。其他鉆孔內安裝一根直徑為30 mm、長度為3.5 m 的圓鋼。

（3）超前支護體安裝后，對中部及兩側超前管棚支護體內依次安裝一根直徑為12 mm 注漿軟管，并在孔口處采用長度為0.5 m 橡膠止漿塞進行封堵，然后進行注漿施工。注漿液采用馬麗散與催化劑混合的有機化學材料。

3.2 自鎖式讓壓錨桿

由于原頂板采用的是螺紋鋼錨桿，采用端頭錨固方式，該錨桿剛性強、讓壓效果差，在斷層區圍巖內錨固質量差，達不到預期錨桿懸吊支護作用，所以決定在原螺紋鋼錨桿支護基礎上，交錯施工自鎖式讓壓錨桿。

（1）自鎖式讓壓錨桿結構。自鎖式讓壓錨桿主要由桿體、自鎖機構、讓壓機構等部分組成。其中桿體長度為2.8 m，直徑為22 mm，桿體最大承載強度為455 MPa；自鎖機構主要由自鎖片、連接套、彈簧、螺紋套管以及推桿等部分組成，如圖1 所示。讓壓機構主要由讓壓彈簧、錨桿托盤、墊片、鎖緊螺母等部分組成。

圖1 53041 巷斷層區頂板支護示意圖（mm）

（2）支護方式。① 原頂板中每排布置5 根長度為2.5 m 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，優化后將第一排1#、3#、5#螺紋鋼錨桿替換為自鎖式讓壓錨桿，將第二排2#、4#螺紋鋼錨桿替換為自鎖式讓壓錨桿，以此類推，自鎖式錨桿呈“三.二.三”布置方式；② 自鎖式安裝時先對桿體進行錨固，桿體錨固后依次安裝自鎖機構、讓壓機構，最后對錨桿進行預緊，預緊力不得低于200 N·m。

3.3 桁架錨索支護

受構造應力影響斷層區頂板在應力持續作用下出現下沉、斷裂現象，導致錨桿（索）支護“疲勞”、桿體變形等，所以決定對斷層區頂板施工桁架錨索削弱頂板垂直應力。

（1）桁架錨索支護原理。對頂板施工對稱斜角錨索，斜角大小根據頂板應力大小進行確定。對斜角錨索安裝張拉器預緊，在預緊過程中兩根斜角錨索對頂板巖體產生一個垂直向上的合力，從而削弱頂板垂直應力破壞作用。

（2）桁架錨索支護結構。每組桁架錨索主要由兩根長度為6.3 m、直徑為21.8 m 預應力鋼絞線，兩根圓鋼拉桿以及張拉器等部分組成。每根圓鋼拉桿長度為1.2 m，直徑為20 mm，張拉器最大張緊力為380 kN。

（3）支護設計。① 巷道掘進至1420 m 處開始施工桁架錨索，首先在相鄰兩排鋼帶之間，桁架錨索支護與鋼帶支護平行布置，布置排距為2.0 m；② 兩根錨索布置間距為2.0 m，錨索布置斜角為75°；③ 桁架錨索安裝后依次在其外露端安裝圓鋼拉桿、張拉器并進行預緊，預緊力為270 kN。

4 結語

（1）對53041 巷過F2 段采取分層爆破施工工藝后，降低了斷層區巖體抗壓強度及掘進機破巖難度，巷道過斷層掘進速度由原來的2.2 m/d 提高至4.3 m/d，掘進機破巖故障率由原來的14%降低為4%。

（2）通過對斷層區采取聯合支護后，彌補原頂板錨桿（索）支護時支護質量差、支護失效率高等不足，有效控制了F2 斷層區域頂板下沉、變形現象。實測采區聯合支護后斷層區頂板雖然出現蠕動變形，但是變形下沉量為0.17 m，相比支護前頂板下沉量減小了65%，控制在允許變化范圍內。