回采巷道過斷層施工技術(shù)

牛 昊

(大同煤礦集團(tuán)有限公司忻州窯煤礦，山西 大同 037003)

0 引言

斷層是巷道掘進(jìn)過程中最常見的地質(zhì)構(gòu)造，隨著礦井開采深度的增加和地質(zhì)條件的復(fù)雜，巷道在掘進(jìn)過程中遇到斷層的可能性不斷增加，不僅影響巷道的掘進(jìn)速率，還會(huì)給巷道的支護(hù)帶來一定的困難，甚至?xí)鸢踩鹿蔥1-4]。如何科學(xué)合理地過斷層是巷道能否快速掘進(jìn)的關(guān)鍵，在掘進(jìn)施工后的支護(hù)也是保證工程順利的重要因素[5-6]。為此，通過對(duì)回采巷道過斷層施工技術(shù)研究，不斷優(yōu)化斷層區(qū)域巷道支護(hù)參數(shù)，以期提高巷道的承載能力，保證礦井的安全高效生產(chǎn)。

1 斷層影響巷道失穩(wěn)模擬

1.1 工程背景

23上04綜采工作面軌道順槽南臨23上03工作面采空區(qū)，距離采空區(qū)最近為3.15 m，西側(cè)為八里鋪斷層保護(hù)煤柱線，北側(cè)為23上04工作面。煤層平均傾角為4°，平均厚度為2.1 m。巷道在掘進(jìn)至50 m處遇到一條逆斷層，該斷層面與23上04軌順斜交30°，傾角70°，落差13 m。巷道為直墻半圓拱形，斷面為10.4 m2。

1.2 模擬方案

采用FLAC3D軟件模擬23上04軌順過斷層時(shí)巷道圍巖變形量和塑性區(qū)范圍，得到斷層影響巷道失穩(wěn)機(jī)理及變形規(guī)律，從而為巷道掘進(jìn)支護(hù)提供參考。根據(jù)23上04軌順巖層性質(zhì)設(shè)定模型參數(shù)，建立了200 m×200 m×146 m模型，模型上方施加3.8 MPa應(yīng)力荷載。模型各巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型各巖層力學(xué)參數(shù)

2 模擬結(jié)果及過斷層方案

2.1 模擬結(jié)果分析

巷道圍巖變形量分析：通過模擬得到23上04軌順掘進(jìn)至120 m范圍內(nèi)巷道底板、頂板和幫部圍巖變形量，如圖1所示。

圖1 23上04軌順圍巖變形量

由圖1可知，巷道掘進(jìn)至斷層附近時(shí)，圍巖變形量加劇，根據(jù)巷道圍巖變形破壞的程度，將圍巖劃分為正常圍巖、過渡帶和破碎帶3部分[7]。巷道圍巖變形量在過渡帶開始增大，在破碎帶達(dá)到最大值。最大底鼓量由0.4 m增大到1.6 m，頂板下沉量由0.45 m增大到1.4 m，兩幫移近量由0.35 m增大到1.15 m。同時(shí)，斷層上盤巷道圍巖變形量比下盤大。

塑性區(qū)范圍分析：通過模擬得到23上04軌順掘進(jìn)10 m(上盤)、50 m(上盤過渡帶)、55 m(斷層)、60 m(下盤過渡帶)、100 m(下盤)塑性區(qū)范圍，如圖2所示。

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)范圍

由圖2可知，斷層上盤巷道幫部塑性區(qū)最大范圍為2.4 m，上盤過渡帶幫部塑性區(qū)最大范圍4.5 m，斷層破碎帶幫部塑性區(qū)最大范圍為3.5 m，下盤過渡帶幫部塑性區(qū)最大范圍為4.3 m，下盤巷道幫部塑性區(qū)最大范圍為1.8 m；上盤巷道頂?shù)装遄畲笏苄詤^(qū)范圍分別為3.5 m、3.9 m，過渡帶和破碎帶巷道頂板最大塑性區(qū)分別為5 m、6 m，下盤巷道頂?shù)装遄畲笏苄詤^(qū)范圍分別為2.8 m、3.9 m。由模擬結(jié)果可知，過渡帶和破碎帶巷道塑性區(qū)范圍增大，并且上盤塑性區(qū)范圍大于下盤。

2.2 巷道過斷層方案

后退臥底法過斷層：由于23上04軌順掘進(jìn)所遇斷層為逆斷層，斷層面沿巷道掘進(jìn)方向一側(cè)煤層下移，采用后退臥底法過該斷層。距斷層面40 m處開始臥底施工，從邊坡點(diǎn)按照腰線開始掘進(jìn)巷道，如圖3所示。采用后退臥底法過斷層，保證了巷道整體平直、無起伏，提高了進(jìn)尺率[8]。

掘進(jìn)方式：23上04軌順過斷層掘進(jìn)采用深孔爆破+綜掘機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)尺。巷道掘進(jìn)上盤采用爆破的方式破巖，盡量“多打眼，少裝藥”，減小由于爆破對(duì)斷層附近巷道頂板的破碎程度；下盤采用綜掘機(jī)掘進(jìn)破巖[9-10]。采用該種方法巷道掘進(jìn)至上盤煤層頂板時(shí)，對(duì)巷道及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，當(dāng)巷道穩(wěn)定后再進(jìn)行掘進(jìn)[11]。

圖3 后退臥底法示意圖

3 支護(hù)技術(shù)方案

3.1 錨網(wǎng)索超前支護(hù)

加強(qiáng)支護(hù)：23上04軌順掘進(jìn)至過渡帶后，受斷層的影響巷道圍巖出現(xiàn)變形破壞，因此，需要超前采用錨網(wǎng)索支護(hù)方式加強(qiáng)對(duì)巷道的支護(hù)，提高巷道的穩(wěn)定性[12-13]。巷道掘進(jìn)至過渡帶時(shí)，開始加強(qiáng)支護(hù)，加密錨桿、錨網(wǎng)數(shù)量，減小錨桿、錨網(wǎng)間排距，將原有巷道頂板每排打2根錨索的支護(hù)方式改為每排打3根錨索。

錨網(wǎng)索布置：頂板每排施打3根錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索規(guī)格為φ18.9 mm×8 300 mm，間排距1 600 m、900 m，錨索外露150～250 mm。每根錨索用4支MSCK2850錨固劑錨固，錨索托盤300 mm×300 mm×20 mm鋼板加工，每根錨索錨固端確保錨入硬巖深度1 m以上。錨網(wǎng)采用φ6 mm冷拔鋼筋加工而成，規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)格為100 mm×100 mm，全斷面敷掛。

3.2 注漿加固

鉆孔布置：根據(jù)23上04軌順地質(zhì)條件可知，巷道受斷層影響范圍為30 m。由于斷層影響范圍廣，因此，需要采用預(yù)注漿技術(shù)加強(qiáng)巷道掘進(jìn)期間斷層破碎帶圍巖強(qiáng)度及完整性。當(dāng)巷道掘進(jìn)至破碎帶時(shí)，開始對(duì)頂板巖層進(jìn)行注漿加固，沿著巷道軸向共布置5個(gè)注漿孔，鉆孔長(zhǎng)度60 m，孔徑為85 mm，孔深4.5 m，鉆孔布置示意圖如圖4所示。

圖4 鉆孔布置示意圖

注漿總量：23上04軌順注漿液選用水泥單漿液，水泥為P.S32.5R普通硅酸鹽水泥，W/C=0.45～0.5，并摻加少量水玻璃，提高漿液的流動(dòng)性及和易性。注漿開始應(yīng)緩慢升壓，正常為0.5～1.0 MPa，終壓為2.0 MPa，斷層破碎帶區(qū)域巷道圍巖強(qiáng)度低，因此需要將注漿終壓提高至5.0 MPa，則1605回風(fēng)巷注漿總量Q為

(1)

式中：Q—23上04軌順注漿總量，m3；A—漿液耗散系數(shù)，取1.5；H—23上04軌順注漿孔深度，取60 m；R—巷道注漿液有效擴(kuò)散半徑，取1.45 m；n—巷道圍巖孔隙率，取5%；β—有效填充系數(shù)，取0.95；m—結(jié)石率，取0.85；N—23上04軌順注漿孔個(gè)數(shù)，取5。代值計(jì)算得，23上04軌順注漿總量為166 m3。

3.3 U型鋼棚支護(hù)

23上04軌順支棚支護(hù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)與巷道錨索網(wǎng)超前支護(hù)相互配合，共同提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，增強(qiáng)巷道頂幫抗變形能力，使支護(hù)效果得到明顯的提升，圍巖變形得到有效的控制。從過渡帶開始向工作面迎頭全部架設(shè)鋼棚，間距1 000 mm。梯形斷面，頂凈寬3 800 mm、底凈寬4 000 mm；凈高3 300 mm，凈斷面12.87 m2。每架鋼棚用1根棚梁和2根棚腿組成，棚梁和棚腿均采用11#礦用工字鋼，棚距1 000 mm。棚與棚之間采用6根連接桿連接，棚梁2根，兩個(gè)棚腿分別2根，連接桿采用φ16 mm×1 160 mm的圓鋼制作，桿套采用長(zhǎng)度100 mm的φ20 mm鋼管制作。棚梁長(zhǎng)度4 100 mm，棚腿高度3 300 mm。棚梁焊接卡塊固定棚腿，棚腿上端采用長(zhǎng)度為100 mm的12#槽鋼焊接，棚腿底采用200 mm×200 mm×16 mm的鋼板焊接。

4 結(jié)論

(1)以23上04軌順為研究對(duì)象，采用FLAC3D軟件模擬巷道過斷層時(shí)巷道圍巖變形量和塑性區(qū)范圍，并將圍巖劃分為正常圍巖、過渡帶和破碎帶3部分，圍巖變形量和塑性區(qū)范圍都在過渡帶開始增大，在破碎帶達(dá)到最大值。

(2)23上04軌順采用后退臥底法過斷層，并對(duì)斷層破碎帶及時(shí)采用錨網(wǎng)索、注漿、U型鋼棚進(jìn)行支護(hù)。巷道掘進(jìn)至過渡帶時(shí)，開始加強(qiáng)支護(hù)，加密錨桿、錨網(wǎng)數(shù)量，減小錨桿、錨網(wǎng)間排距超前支護(hù)；采用預(yù)注漿技術(shù)加強(qiáng)破碎帶圍巖強(qiáng)度及完整性；并通過鋼棚支護(hù)與巷道錨索網(wǎng)超前支護(hù)相互配合，共同提高巷道支護(hù)強(qiáng)度，增強(qiáng)巷道頂幫抗變形能力。

(3)在巷道掘進(jìn)過斷層期間，掘進(jìn)進(jìn)尺保持在3.2 m/d，9 d后安全順利通過斷層，為巷道早日掘進(jìn)貫通贏得了寶貴時(shí)間。