掘進(jìn)巷道安全高效過(guò)斷層技術(shù)研究

高 強(qiáng)

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦，山西 孝義 032300）

引言

巷道掘進(jìn)過(guò)斷層時(shí)，破碎帶會(huì)給巷道掘進(jìn)效率以及施工安全等帶來(lái)明顯制約[1-3]。巷道在掘進(jìn)過(guò)斷層期間，在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、破碎煤巖體等共同作用下，巷道圍巖變形較為嚴(yán)重，掘進(jìn)迎頭容易出現(xiàn)冒頂、片幫等事故，給巷道施工帶來(lái)顯著影響[4-6]。采用常規(guī)的支護(hù)方式后，需要頻繁對(duì)巷道斷面進(jìn)行修整，增加后期圍巖支護(hù)工程量及投入[7-8]。為此，本文以山西某礦過(guò)3100 運(yùn)輸上山過(guò)F24 斷層為例，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件確定巷道掘進(jìn)期間采用的過(guò)斷層技術(shù)以及圍巖控制技術(shù)等，為巷道安全高效過(guò)斷層創(chuàng)造良好條件。

1 工程概況

山西某礦3100 運(yùn)輸上山處于1 號(hào)煤層底板、3號(hào)煤層頂板位置，巷道設(shè)計(jì)斷面為直墻半圓拱型（掘進(jìn)面積17 m2）。根據(jù)已有地質(zhì)資料以及超前探測(cè)資料顯示，在3100 運(yùn)輸上山掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)揭露F24 斷層（H=20～60 m，215°∠40°～62°），具體巷道與揭露的斷層剖面如圖1 所示。斷層破碎內(nèi)充填物以破碎的泥巖、砂巖等為主，破碎帶內(nèi)巖體裂隙發(fā)育、強(qiáng)度較低。

圖1 3100 運(yùn)輸上山與揭露的F24 斷層剖面圖

礦井其他巷道掘進(jìn)過(guò)F24 斷層破碎帶時(shí)多采用噴注方式，表面噴漿層厚度為150 mm，在掘進(jìn)過(guò)斷層破碎帶期間時(shí)容易出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)惹闆r，圍巖支護(hù)效果不佳。為此，依據(jù)3100 運(yùn)輸上山過(guò)斷層破碎帶情況，用錨網(wǎng)噴+鋼帶方式支護(hù)，采用的錨桿（Φ22 mm×2 400 mm）按照800 mm、800 mm 間排距布置；錨索（Φ22 mm×6 300 mm）按照1 600 mm、1 400 mm間排距布置；鋼筋網(wǎng)采用Φ6.5 mm 鋼絲編織而成，長(zhǎng)1 700 mm、寬900 mm，表面噴射厚度100 mm、強(qiáng)度C30 混凝土。

3100 運(yùn)輸上山過(guò)斷層破碎帶長(zhǎng)度45 m，前期探測(cè)時(shí)鉆孔出現(xiàn)一定淋水，為確保掘進(jìn)安全及圍巖控制效果，提出綜合使用超前注漿、超前支護(hù)、鋼架棚以及二次注漿等方式控制圍巖。文中就對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采用的技術(shù)進(jìn)行分析，以便為其他礦井巷道過(guò)斷層工作開(kāi)展提供借鑒。

2 巷道過(guò)斷層安全技術(shù)

2.1 超前注漿

3100 運(yùn)輸上山穿越斷層破碎帶寬度約45 m，對(duì)巷道外輪廓線(xiàn)2.5 m 范圍注漿。在掘進(jìn)迎頭注漿鉆孔數(shù)量為14 個(gè)，注漿壓力6 MPa。

注漿后在迎頭布置窺視鉆孔，掌握注漿加固效果，具體鉆孔窺視成果如圖2 所示。從窺視結(jié)果看出，窺視鉆孔發(fā)現(xiàn)注漿范圍內(nèi)注漿漿液在裂隙中擴(kuò)散并膠結(jié)，加固后巖體分布呈片狀或者層狀，且存在有相互連通的骨架網(wǎng)絡(luò)，注漿加固后巖體穩(wěn)定性以及強(qiáng)度明顯提升。

圖2 注漿加固后鉆孔窺視成果

2.2 超前支護(hù)

在3100 運(yùn)輸上山揭露F24 斷層時(shí)支護(hù)選用的錨索規(guī)格為Φ22 mm×7 300 mm，間排距布置參數(shù)為5 000 mm、2 000 mm；錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 500 mm，間排距布置參數(shù)為2 400 mm、1 200 mm，具體支護(hù)斷面如圖3 所示。在圍巖支護(hù)時(shí)，錨桿、錨索外露長(zhǎng)度分別控制在40 mm、250 mm 以?xún)?nèi)。錨索采用規(guī)格300 mm×300 mm×10 mm 托盤(pán)并配合W 鋼帶、金屬網(wǎng)護(hù)表。待錨桿及錨索施工完成后，在此向巷道破碎圍巖進(jìn)行注漿，以便提高巷道掘進(jìn)安全保障能力。超前注漿長(zhǎng)度應(yīng)控制在5 m 以上。

圖3 巷道支護(hù)斷面

2.3 布設(shè)架棚

在巷道掘進(jìn)過(guò)斷層破碎帶時(shí)，若巷道圍巖較為破碎，僅依靠超前注漿方式無(wú)法確保圍巖穩(wěn)定時(shí)，可輔助采用架棚方式支護(hù)。架棚應(yīng)在超前撞鍥掩護(hù)下開(kāi)展。在迎頭布置的撞鍥為Φ30 mm×2 200 mm 圓鋼柱，并按照300 mm 間距在巷道迎頭頂板上布置。圓鋼柱給架棚提供掩護(hù)，在圓鋼柱后部與架棚相連接，并與巷道頂板保持10°～15°外插角。

架棚支護(hù)時(shí)用10 號(hào)槽鋼焊接成的矩形探梁施工，并將矩形探梁固定到布設(shè)好的棚梁上，兩者間空隙用木鍥充填，具體如圖4 所示。采用前探梁進(jìn)行支護(hù)時(shí)需采用限位塊，確保施工期間架棚不出現(xiàn)滑落問(wèn)題。

圖4 架棚結(jié)構(gòu)

在施工架棚時(shí)，在迎頭布置的前2 架需采用先套后架方式，增強(qiáng)架棚穩(wěn)定性。在棚梁處應(yīng)布置一組規(guī)格Φ22 mm×2 200 mm 固定錨桿、U29 型卡纜，以便實(shí)現(xiàn)棚梁有效固定。固定棚梁后，再架設(shè)拉桿以及棚腿，同時(shí)應(yīng)背頂密實(shí)，避免出現(xiàn)空頂、空幫情況。

2.4 二次注漿

在巷道掘進(jìn)過(guò)斷層破碎帶后，對(duì)巷道二次注漿加固。注漿時(shí)采用中空注漿錨桿，孔深2 500 mm、注漿漿液選擇采用水泥單液漿；注漿孔按照間排距3 600 mm、2 500 mm 布置，每個(gè)斷面布置5 個(gè)注漿孔。同時(shí)在巷道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)布置位移觀測(cè)點(diǎn)，嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺，并強(qiáng)化頂板、巷幫圍巖控制；對(duì)斷層影響范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便采取針對(duì)性措施降低構(gòu)造應(yīng)力、地應(yīng)力等對(duì)圍巖控制影響。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

在3100 運(yùn)輸上山掘進(jìn)過(guò)F24 斷層破碎帶后，布置測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道表面位移變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖5 看出，巷道圍巖變形速度在不同支護(hù)階段呈明顯降低趨勢(shì)；巷道圍巖支護(hù)完成100 d 后，頂板、巷幫累積變形量分別為32 mm、25 mm，表明現(xiàn)場(chǎng)綜合使用的預(yù)注漿、超前支護(hù)、架棚支護(hù)以及二次注漿支護(hù)工藝可有效提高破碎帶巖體穩(wěn)定性、控制巷道圍巖變形量。

4 結(jié)語(yǔ)

3100 運(yùn)輸上山掘進(jìn)期間會(huì)穿越F24 斷層破碎帶，若采用常規(guī)的錨網(wǎng)索支護(hù)方式，圍巖支護(hù)體系支護(hù)效果較差，無(wú)法滿(mǎn)足巷道安全高效過(guò)斷層需求。為此，提出綜合使用預(yù)注漿、超前支護(hù)、架棚支護(hù)以及二次注漿支護(hù)方式對(duì)斷層破碎帶影響范圍內(nèi)圍巖進(jìn)行支護(hù)，并具體設(shè)計(jì)圍巖支護(hù)方案?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，3100運(yùn)輸上山在斷層破碎帶掘進(jìn)期間掘進(jìn)基本不受影響，巷道迎頭未出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)惹闆r，同時(shí)巷道頂板、巷幫變形量較小，巷道得以安全高效過(guò)斷層破碎帶。