井下掘進巷道過斷層支護技術探究

賀喜澤

（山西煤炭運銷集團吉縣盛平煤業有限公司， 山西　臨汾　041000）

引言

在煤礦井下巷道掘進過程中，斷層一直是最為常見的幾種地質構造形式，依據有關生產調查統計，因過斷層而引發的各類事故一直處于礦山事故的前列。特別是近年來隨著我國能源需求的不斷增大和淺層煤炭資源的日益殆盡，煤礦開采深度持續增加，開采地質條件復雜程度日益提升，井下巷道掘進中遭遇斷層的幾率也顯著增高，為井下掘進作業的安全開展造成一定威脅?；诖?，如何在掘進巷道過斷層時開展有效的支護便成為保障作業安全的關鍵要點，同時也是提升掘進作業效率，改善采掘銜接矛盾，實現礦井經濟效益提升的強效推力。

1　工程概述

某礦主采煤層為山西組4號煤，煤層均厚4.1 m，現井下開掘三采區回風巷（5307巷），巷道長度設計1 500 m，高寬分別為5.2 m和4.5 m，為半煤巖巷道。巷道上部存在偽頂，主要均厚為2.1 m的炭質泥巖；巷道直接頂與基本頂分別為均厚4.2 m的砂紙泥巖和均厚7.9 m的粗粒砂巖。巷道掘進作業選用綜合機械法進行施工，根據以往地質勘測可知，在巷道掘進至700 m處時會遭遇F12正斷層，斷層落差2.5 m，傾角62°。當巷道掘進至660 m處時，頂板來壓明顯增加，局部偽頂無法留設，頂板5.8～6.4 m范圍內存在離層，局部產生冒頂。在采用傳統支護技術進行永久支護后，受頂板壓力影響出現錨桿失效、鋼帶崩斷等現象，表明傳統支護技術無法滿足其實際需求，需探索全新且有效的支護工藝[1]。

2　傳統支護工藝不足分析

目前，井下三采區回風巷道過斷層所選用支護工藝為“錨桿+W型鋼+錨索”聯合支護技術。所用鋼帶規格為長寬4 200 mm×250 mm，單根鋼帶配設錨栓五個，布設排間距為1 000 mm；頂板支護錨桿選用長2 500 mm，直徑22 mm的螺紋鋼錨桿，布設間隔1 000 mm，單個錨桿布設預緊力不小于200 N·m，垂直頂板布設；頂板煤間隔3 000 mm布設錨索一排，選用長4 500 mm的鋼絞線摸索，布設間隔1 800 mm，錨索托板選用300 mm×300 mm的高強度鋼板制成[2]。

回風巷道上方偽頂均厚為2.1 m，所用支護錨桿長度2.5 m，導致錨桿錨固端位于直接頂同偽頂交接區域，當通過斷層區域時，由于頂板壓力增加，使得常規錨桿無法對偽頂進行有效維護，出現偽頂的大面積垮落；巷道所過F12斷層傾角超過60°，掘進通過時兩幫在覆巖壓力影響下會出現嚴重片幫，尤其是頂板同兩幫相交區域的三角煤柱留設十分困難，這使得通過采用4 200 mm鋼帶無法實現對巷道的有效維護；原支護所采用錨索為長4 500 mm的鋼絞線錨索，其錨固端位于直接頂，但由于直接頂存在局部離層的情況，因此使用錨索無法實現對支護的有效加強。鑒于上述不足，有必要在巷道通過斷層時預先對頂板進行加強，以確保偽頂的完整和穩定[3]。

3　巷道過斷層支護綜合技術

結合礦井實際地質條件，改變三采區回風巷道原支護方案為“撞楔超前支護+超前注漿+密集工字鋼棚臨時加強支護+永久支護”的聯合支護工藝，通過在距離斷層20 m處開始布設鋼針和注漿的方法，構建人工假頂，提升偽頂穩定性的同時，最大化保障巷道過斷層時的安全性。

3.1　撞楔超前支護與超前注漿（見下頁圖1）

1）為有效規避巷道通過斷層時偽頂不會受覆巖壓力影響產生大面積垮落，采取超前撞楔支護工藝，在作業面頂板布設一排鋼針，鋼針同作業面相互垂直，所用鋼針長3 000 mm，布設間隔為400 mm，作業面鋼針布設總數為10排。

2）撞楔支護完成后，于頂板下方1 000 mm處布設注漿鉆孔，鉆孔深5 000 mm，單個斷面共布設4個鉆孔，各注漿孔同巷道兩幫夾角控制在6°左右，實現對3 m范圍內三角煤柱的有效調控。

3）注漿鉆孔布設完成后，通過注漿泵注入馬麗散漿液，注漿作業時注漿壓力應穩定在5 MPa左右。此外，注漿中若作業面煤體發生漿液的滲透，則應馬上中止注漿，并對注漿孔予以封堵。

4）待所注入漿液全部凝固后，再重新開張掘進作業。在掘進時，鋼針茬進幅度不超過1 000 mm，每向前掘進作業2 m，便進行一次鋼針補打作業，相鄰兩排鋼針采取錯位重疊的方法進行布設。

圖1　撞楔超前支護與超前注漿作業示意圖（單位：mm）

3.2　過斷層永久支護

1）巷道頂板錨索、錨桿與鋼帶布設方式維持原樣，但所使用鋼帶改為長5 200 mm的JW型鋼帶（7眼，眼間隔800 mm），鋼帶兩端同巷幫齊平并在其兩端分別穿插長2 000 mm螺紋鋼錨桿，錨桿固定于兩幫上。此外，鋼帶中間5眼均穿插長3 500 mm超長錨桿，同巷道垂直布設。

2）為更好地提升頂板穩定性，所用錨索長度增加至8 300 mm，所用托板選用長度600 mm工字鋼梁制成[4-5]。

3.3　過斷層臨時加強支護

1）超前撞楔支護與永久支護完成后，在巷道過斷層區域布設工字鋼棚進行臨時加強支護，鋼棚由棚腿、棚梁與水泥背板三大組件構成，其布設示意圖如圖2所示。

2）鋼棚布設前先對相關作業區域進行起底操作，起底寬度為300 mm，深度為200 mm。起底后，對相應區域進行澆筑并預埋棚腿裝設底座。

3）起底澆筑凝固后，對照預埋棚腿裝設底座安裝棚腿，并布置棚梁，棚梁同巷道相互垂直。同時，棚梁與棚腿選用U型卡扣相互連接[6]。

4）每間隔500 mm布設鋼棚一架，相鄰兩個鋼棚間通過四根連接桿實現彼此的相連。此外，每完成相鄰兩架鋼棚的布置后在其上部鋪設長度為800 mm的水泥背板[7]。

5）工字鋼棚的布設應在距離斷層5 m處開始，在通過斷層5 m后停止鋼棚布設，共計布設鋼棚數量為25架。布設完成后，配置專人定期對鋼棚各構成組件及上部鋪設的水泥背板開展檢查，若發現存在變形或斷裂的情況，應立即予以更替[8]。

圖2　工字鋼棚布設示意圖（單位：m）

4　結語

某礦井三采區回風巷道（5307巷道）在過斷層支護中選用“撞楔超前支護+超前注漿+密集工字鋼棚臨時加強支護+永久支護”的聯合支護工藝替代原有的傳統支護方法，提升了巷道直接頂與偽頂的完整性與穩定性，實現了過斷層巷道支護安全的顯著增強，從根源上有效地實現了巷道過斷層時局部冒頂、頂板沉降、支護失靈等難題的解決。同時，為井下掘進作業高效開展和日趨緊張的采掘矛盾，礦井綜合效益的增長提供了堅實的助推力。

[1]李建軍.大斷面巷道機械化掘進過斷層群技術[J].煤炭工程，2014（6）：43-45.

[2]王九紅.掘進巷道過斷層破碎帶支護方式探析[J].河南科技，2014（5）：25.

[3]申家志.巷道掘進過斷層方法及技術措施研究[J].內蒙古煤炭經濟，2014（9）：129-130.

[4]盧二虎，馬志剛.大斷面巷道過斷層破碎帶的掘進與支護方法[J].煤礦支護，2005（3）：30-31；23.

[5]張景公.過斷層破碎帶條件下巖巷掘進超前支護技術[J].煤炭技術，2012（6）：90-91.

[6]李井生.施工巷道過斷層破碎帶支護方法[J].煤炭技術，2011（3）：95-96.

[7]閆成柱.淺析掘進巷道安全過斷層支護工藝實踐[J].煤，2017（2）：51-52.

[8]曹健.楊莊礦過斷層巷道支護技術[J].煤炭技術，2016（10）：73-74.