大斷面巖巷快速過陷落柱技術(shù)實際應(yīng)用

牛永紅 邢奇凱

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城 048400）

1 概況

望云煤礦北翼軌道大巷為全巖巷道，設(shè)計掘進長度約1062 m。巷道為直墻半圓拱斷面，寬5.3 m，高4.65 m，斷面21.63 m2，沿15號煤層底板巖層掘進。掘進至135 m 處時工作面迎頭矸石開始雜亂，鑿巖機施工炮眼和支護錨桿時卡鉆嚴重。經(jīng)地質(zhì)部門鉆探施工，發(fā)現(xiàn)前方為大小約62 m×51 m 的陷落柱。

2 陷落柱特征及巷道支護機理分析

2.1 陷落柱特征

陷落柱是煤系地層在地下水等條件作用下，自然形成的塌陷現(xiàn)象。現(xiàn)場觀察和探測發(fā)現(xiàn)，陷落柱形狀為橢圓柱狀，剖面為上大下小的類似漏斗狀。陷落柱邊緣巖層混亂，亂石互相夾雜，邊緣較為破碎。陷落柱一般區(qū)域強度不足，圍巖不穩(wěn)定[1-2]，并且陷落柱揭露時存在弱水性，陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般較為混亂，遇水容易變形，產(chǎn)生巖石風(fēng)化。

2.2 根據(jù)陷落柱圍巖特性選擇合理支護形式

（1）陷落柱邊緣巖層互相夾雜，巖層混亂，較為破碎，若支護不及時極易導(dǎo)致頂板垮落，經(jīng)研討后決定采用“錨網(wǎng)噴+U 型鋼架”組合支護。

（2）陷落柱內(nèi)部為暴露的巖體層狀結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性相對較強，決定采用“錨網(wǎng)支護”，掘進一定距離后統(tǒng)一進行噴漿[3]。

（3）陷落柱頂板較破碎時，采取6300 mm 錨索“2-1-2”加強支護，頂板較為完整時錨索“2-0-2”進行加強支護[4]。

3 快速通過陷落柱的實際應(yīng)用

3.1 爆破參數(shù)設(shè)計

剛開始施工時，根據(jù)以往陷落柱分布結(jié)構(gòu)特征，考慮到陷落柱內(nèi)部巖石松軟、較為破碎，單個循環(huán)進尺較大可能會導(dǎo)致頂板垮落、支護不完整，因此采用小循環(huán)爆破。設(shè)計炮眼深度1.2 m，兩個小班一個循環(huán)（一班爆破，一班支護出矸）。經(jīng)3 d 生產(chǎn)實踐，兩個小班不能完成1 m 循環(huán)，三個小班時間有富裕。從施工最初的8～10 m 來看，開拓速度慢，自第12 m 開始，發(fā)現(xiàn)巷道頂板、卡釬現(xiàn)象都有所好轉(zhuǎn)，便嘗試加深炮眼深度，改為2.2 m，同時加大周邊眼數(shù)，以保證爆破成型效果和頂板完好程度。

3.2 炮眼布置及爆破設(shè)計

為保證爆破效果及成型質(zhì)量，經(jīng)不斷試驗，實行兩掘一錨作業(yè)方式，掏槽眼2.4 m，于巷道中下部共設(shè)置4 個，角度為靠近中心70°，掏槽眼距1200 mm，周邊眼由原來的25 個增加為36 個，但裝藥量適當(dāng)減少。具體炮眼布置圖如圖1。

圖1 炮眼布置圖（mm）

鉆眼時，采用CMM2-24 液壓雙臂鉆車，Ф22 mm×1200 mm 六角中空鋼釬配合45#鉆頭進行鉆眼施工，選用煤礦三級乳化炸藥和1-4 段毫秒延期電雷管。炮眼分類及裝藥量見表1，爆破方式為正向一次全斷面起爆。

表1 炮眼分類及裝藥量

3.3 支護參數(shù)設(shè)計

頂錨索布置： 錨索規(guī)格Ф17.8 mm×8300 mm，采用“2-0-2”布置，間距1800 mm，排距2000 mm，并用錨具配合鋼托板和長14#槽鋼梁對錨索進行固定。錨固時使用兩支中速和一支快速錨固劑進行端頭錨固，錨固長度為1550 mm，預(yù)緊力為120 kN。

頂錨桿間距900 mm，排距1000 mm，錨桿呈放射性，以半圓拱形巷道圓心為起點向拱墻打設(shè)，每排8 根。幫錨桿間距800 mm，排距1000 mm，巷幫兩側(cè)每排各3 根。錨桿采用高強螺紋鋼錨桿Ф20 mm×2100 mm，錨桿固定采用錨固劑型號MSCKa2335/MSZ2360，錨固長度950 mm；采用6#鋼筋網(wǎng)護頂，網(wǎng)格100 mm×100 mm，網(wǎng)片2000 mm×1200 mm，采用一排搭接一排，每排搭接長度200 mm，雙排使用14#鉛絲隔孔相聯(lián)。螺紋鋼錨桿預(yù)緊力矩≥250 N·m，錨固力≥100 kN。陷落柱巷道支護布置圖如圖2。

圖2 陷落柱巷道支護布置圖（mm）

3.4 注漿加固技術(shù)

巷道自135 m 處遇見陷落柱，145 m 處頂板較好，卡釬現(xiàn)象稍有改觀，實行“兩掘一錨”掘進至163 m 處時，巷道支護時有黃水流出，錨桿機出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，錨桿（索）預(yù)緊力達不到規(guī)定要求。經(jīng)鉆孔窺視，發(fā)現(xiàn)在灰?guī)r頂板中形成了眾多不規(guī)則分布的黃泥入侵空洞層，使之變?yōu)楹嘬浫鯅A層的巖溶區(qū)多空洞黃泥入侵復(fù)合頂板。頂板空洞層和黃泥入侵軟弱夾層對頂板圍巖結(jié)構(gòu)的完整性以及巖體強度都有很大的弱化作用，致使錨桿（索）錨固劑粘結(jié)于黃泥周圍時，達不到扭矩力要求，錨固效果較差，未能使破碎巖石和基本頂形成完整支護體，長時間在采動應(yīng)力和巖層水的作用下頂板巖層容易發(fā)生破壞。

后經(jīng)相關(guān)技術(shù)人員查驗資料及相關(guān)礦井技術(shù)借鑒[5]，提出采用淺部低壓滲透封隙注漿+深部高壓注漿的加固方式進行加固支護。注漿加固原理如圖3。

圖3 注漿技術(shù)方案對比圖

3.5 注漿設(shè)計參數(shù)

注漿材料采用近納米級預(yù)應(yīng)力注漿復(fù)合料（FZY-Ι 型），粒度為2.0～1.5 μm。該材料具有高流動性、高滲透性、凝固速度可控、強度高、膨脹力大、阻燃、抗靜電等特性，現(xiàn)場施工操作簡單，可用水泥基注漿設(shè)備進行注入施工。在一定注漿壓力的作用下，漿液在破碎煤巖體裂隙中流動、滲透，并產(chǎn)生膨脹力和粘結(jié)力，在漿體凝固后產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力加固效果，形成的預(yù)應(yīng)力加固體和凝結(jié)體的整體強度大于母巖強度1～1.5 倍，對一般破碎煤體的加固強度可達15～20 MPa。

注漿錨桿：在巷道頂板拱形斷面內(nèi)8 根錨桿中的3#、6#錨桿使用Φ22 mm×2400 mm 注漿錨桿，搭配Φ22 mm×8300 mm 注漿錨索，其他支護材料、規(guī)格和原支護一致。推薦水灰比為0.4～0.6，注漿壓力2.0～3.0 MPa。注漿方式為排間間隔注漿，即1 排、3 排、5 排……先注漿，2 排、4 排、6 排……后注漿。注漿泵采用ZBQ-20/3 氣動注漿泵，注漿壓力不小于2.0 MPa。

使用FZY-1 型復(fù)合料注漿后，檢測其他正常支護錨桿預(yù)緊力及拉拔力，發(fā)現(xiàn)還有少量扭矩達不到250 N·m，但已保證在150 N·m 以上。為保證巷道支護質(zhì)量，在巷道架設(shè)“U”型鋼架架棚，使用木楔、道木等將鋼架和頂板貼緊幫實。架棚后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，在巷道表面噴涂混凝土層，噴漿厚度不低于150 mm。巷道注漿及“U”型鋼架支護如圖4。

圖4 注漿錨索及鋼架、噴漿支護圖（mm）

3.6 支護效果驗證

為驗證“錨網(wǎng)索+注漿+U 型可縮支架”支護方案的可靠性，在該區(qū)域巷道中部布置監(jiān)測站，監(jiān)測巷道周邊收斂量。采用十字布點法，監(jiān)測記錄巷道表面任意兩點間距離變化情況，使用鋼帶尺、卷尺等測量頂、底板和兩幫的相對移近量值，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)變化值。

從圖5 可以看出，巷道頂?shù)装逦灰屏恐饕l(fā)生在工作面掘進16～19 d 內(nèi)，巷道圍巖變形隨時間逐步增加，頂?shù)装遄畲笪灰屏拷?3 mm；30 d 后，頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏口呌诜€(wěn)定。從位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，“錨網(wǎng)索+注漿+U 型可縮支架”支護方案使得陷落柱區(qū)域163～189 m 處巷道圍巖變形量處于合理范圍之內(nèi)，能夠滿足工作面永久支護的要求。

圖5 圍巖位移變化圖

4 結(jié)語

望云煤礦軌道大巷施工過程中通過改進爆破參數(shù)設(shè)計、循環(huán)作業(yè)方式等加快陷落柱掘進速度，并在支護質(zhì)量不達標情況下，通過施工注漿錨桿、錨索形成高強度假頂，強度達到要求后，再架設(shè)“U”型鋼架棚及噴射混凝土與圍巖形成密閉空間。通過圍巖巷道觀測實際效果驗證，符合巷道永久支護標準，為后續(xù)該礦快速通過陷落柱等構(gòu)造支護方式提供了借鑒。