掘進巷道通過極復雜地質構造的工藝

韓立權

（大同煤礦集團云崗礦，山西 大同 037017）

陷落柱是由于地下水長期溶蝕巖溶形成溶洞，在地質構造力和溶洞上覆巖層重力的作用下，溶洞發生坍塌而形成。經研究，山西省陷落柱接觸帶的煤層以及頂底板一般無牽連現象，接近3～5 m 時，巖層裂隙發育，煤層十分破碎，有時可以見到落差不大的小正斷層，斷層的走向與柱體相切，在陷落區的邊緣地帶有的柱內干燥無水，因不同地區而異。

陷落柱使煤層及周圍巖石遭到破壞，造成巷道提前報廢。當巷道直接穿過陷落柱時，給巷道的維護和頂板管理造成很大困難，同時增加了維護費用，如果頂板使用錨桿、錨索支護，末端不能錨固在完整穩定的巖層中，起不到支護作用；如果使用鋼梁棚支護，棚腿不能支撐在堅硬的底板上，可能陷入底板，也起不到支護作用。回采時妨礙機械化采煤，經常使采煤機和液壓自移掩體支架無法使用和通過。

根據《煤礦防治水細則》規定：探查陷落柱等垂向構造時，應當采用物探、鉆探兩種方法，底板方向鉆孔不得少于3 個，有異常時加密布孔。

81003-1工作面位于12-2#層410 盤區，煤層傾角2°～7°，平均4.5°，該區域煤層厚度2.5～3.5 m，平均3.0 m，局部含1-3 層厚度0.1～0.5 m 的夾石；直接頂為灰色粉砂巖，厚度在3.0～10.0 m 之間，平均5.5 m；直接底為粉細砂巖，灰白色，含少量炭質碎屑，裂隙發育，水平層理明顯，膠結松散，易碎，厚度約2.7 m；老底為灰白色中砂巖，厚度約7 m 其中51003-3巷設計長69 m，規格為4.2 m×2.8 m，以方位265°由東北往西南方向掘進；與陷落柱X36、正斷層F12相遇，斷層落差1.7 m，巷道受影響范圍約35 m（如圖1）。

圖1 81003- 1 工作面陷落柱與斷層分布圖

1 陷落柱的探查工藝和治理

通過對陷落柱進行物探及對本區水文地質情況的具體綜合分析研究，寒武灰巖巖溶水不會對開采造成威脅，不存在帶壓開采。

在進行鉆探時，采用ZQJC 系列氣動架柱式鉆機，對陷落柱的導含水性進行了探查，使用一種適合鉆機的新型止水套管。

止水套管的主要結構由是兩種不同孔徑的鋼管組成，兩種鋼管套在一起使用，外管比內管的長度短，而內管超出的部分，用膠圈套在內管上進行補足，在外管末端與膠圈之間安裝壓圈。內管的內徑比鉆頭的直徑大，從而在鉆探時內管不能阻礙鉆頭的正常工作，鉆機的鉆頭直徑為43 mm，選用擴孔鉆頭直徑為90 mm。

內管選擇2 寸高強度鋼管（內徑50 mm，外徑60 mm），在內管尾部制作絲扣，安裝擋圈；在距內管前端10 cm 處焊接頂絲導向板并安裝兩根M24 mm×300 mm 的頂絲，頂絲導向板的兩端焊接止水套固定板，內管前端焊接經過加工的法蘭盤，焊接方式；內管長度根據《煤礦防治水細則》中要求設計，為了井下方便井下搬運，每根套管長度以2.5～3.0 m 為宜，每兩節之間通過絲扣連接。

外管選擇3 寸高強度鋼管，（內徑80 mm，外徑89 mm），外管一端焊接頂絲擋板，長度比內管短0.5 m。

頂絲導向板、頂絲擋板、壓圈、擋圈由15 mm 厚鋼板制成，止水套管固定板由10 mm 厚鋼板制成。

擴孔鉆頭直徑為90 mm，使用舊鉆桿制作一個導向管，安裝在鉆頭前方，保證擴孔時能準確的沿著原鉆孔的方向前進。

鉆孔經過擴孔后，鉆孔內徑與外管的外徑相同，深度比內管的長度短0.3 m，將止水套管填入鉆孔內，用錨索將內管固定在巖（煤）體上，轉動內管上的頂絲擠壓外管，通過外管的移動，推動壓圈，迫使膠圈（60 mm×90 mm×110 mm）變形，膠圈與鉆孔內壁進行充分擠壓接觸，使鉆孔內壁與外管外壁形成一個封閉的空間，保證鉆孔內的水不會從外管外壁處流出。最后在內管法蘭盤上安裝控水閥門，可以隨時有效控制鉆孔內放水量（見圖2）。

圖2 止水套管結構示意圖

《煤礦防治水細則》沿巖層探放含水層、斷層和陷落柱等含水體時，按表1 確定探水鉆孔超前距離和止水套管長度。

表1 巖層中探放水鉆孔超前距和止水套管長度對照表

根據《水文地質類型劃分報告》資料分析，選用長度為6 m 的止水套管，鉆探的鉆孔終孔位置分布在陷落柱X36柱內及周圍，終孔深度達到煤層底板50 m 以下，所有鉆孔均不出水，最后進行封孔。

2 掘進期間支護工藝

巷道掘進支護期間，在保證傳統鋼梁棚支護工藝的前提下，使用一種適合鋼梁棚支護的棚腿基，墊在棚腿下端，確保棚腿不會陷入底板，并且使鋼梁棚達到由剛性支護變成柔性支護的目的。

2.1 端頭棚腿基的制作方法

端頭棚腿基每節使用兩根2 m 長的11 號工字鋼并列焊接在一起。焊接之前在每根鋼梁兩端各打通兩個孔徑為20 mm 的孔，孔間距以及邊孔距鋼梁端頭的距離為10 cm，并且在距端頭520 mm 處，間隔320 mm，打通孔徑為70 mm 的孔（見表3）。

圖3 端頭棚腿基俯視圖與正視圖（mm）

2.2 中間棚腿基的制作方法

中間棚腿基每節使用兩根2 m 長的11 號工字鋼并列焊接在一起。焊接之前在每根鋼梁兩端各打通兩個孔徑為20 mm 的孔，孔間距以及邊孔距鋼梁端頭的距離為10 cm（見圖4）。

圖4 中間棚腿基左視圖與俯視圖

11 號工字鋼A 的規格：110 mm×90 mm×9 mm；對應柱帽B 的規格：160 mm×130 mm×6 mm。兩根工字鋼的寬度為180 mm，用厚度為10 mm 的鋼板焊接高度為60 mm 的柱帽槽D，E 為鋼梁、柱帽同時放入柱帽槽的示意圖，用厚度為10 mm 鋼板制作邊長為60 mm 的直角角筋16 個（見圖5）。

圖5 組裝柱帽槽示意圖（mm）

在棚腿基的0.5 m、1.0 m 處各焊接一個柱帽槽，并且在左右兩側各焊接4 個角筋加固（見圖6）。

圖6 柱帽槽焊接示意圖

用厚度為10 mm 的鋼板制作基夾板，類似軌道的道夾板，規格：650 mm×70 mm，在每塊基夾板兩端各打通兩個孔徑為20 mm 的孔，孔間距以及邊孔距鋼梁端頭的距離為10 cm，每節棚腿基要配3 塊基夾板。

51003-3巷將按照原設計直接穿過陷落柱。由于陷落柱柱體被不同地層的巖煤的碎塊填充，無層序，混亂堆積。巖石棱角分明，形狀不規則，排列紊亂，大小混雜，為黏土充填黏結。

51003-3巷在距離陷落柱1 m 時，巷道底板兩側開始使用端頭棚腿基，在棚腿基的左右兩側向底板各施工4 個鉆孔，由于沒有施工底板長錨索鉆孔的器具，所以使用ZQJC 氣動架柱式鉆機。鉆孔間距320 mm，直到堅硬巖層為止，約4 m 深，將4.3 m 長的錨索錨固在鉆孔內，在注錨索時，為了防止高速旋轉的錨索彎曲傷人，所以使用1.5 m 長的鉆桿套在錨索上，鉆桿一端與錨索注眼器一同固定在鉆機上，另一端伸入到鉆孔中，通過鉆機高速旋轉和推進，錨固錨索。除去錨固長度后，鉆孔剩余部分用混凝土澆灌，頂端與底板相齊。錨索外露長度0.3 m，將7 環錨鏈穿過棚腿基的通孔，用鎖具將兩端的錨索與錨鏈鎖緊，形成4 組地錨（見圖7）。

圖7 端頭棚腿基錨固示意圖

在端頭棚腿基的前端頂板上支護一根錨索梁，巷道向前掘進到1 m 時，支護一根鋼帶，當掘進到1.5 m 時，在錨索梁的兩端各支設一根單體支柱，鋼帶、鋼梁和單體支柱構成臨時支護。巷道繼續掘進到2 m 時，在頂板上支護第二根錨索梁，并且在巷道底板兩側鋪設第一節中間棚腿基，與端頭棚腿基之間用4 根0.3 m 短錨索和三塊基夾板連接在一起，棚腿基之間有5 cm 縫隙，每根短錨索兩端用鎖具鎖住，形成柔性連接（見圖8）。

圖8 棚腿基連接示意圖

在第一個柱帽槽處架設第一架鋼梁棚，巷道向前掘進到3 m 時，在頂板上支護一根鋼帶，并且在第二個柱帽槽處架設第二架鋼梁棚，巷道向前掘進到3.5 m 時，將第一根錨索梁下的兩根單體支柱移到第二根錨索梁下，巷道向前掘進到4 m 時，頂板上支護第三根錨索梁，并且在巷道底板兩側鋪設第二節中間棚腿基，工序同第一節相同，以此類推，直到巷道穿過陷落柱之后，在最后一節中間棚腿基末端使用端頭棚腿基，工序與第一節端頭棚腿基相同。通過棚腿基的連接后，鋼梁棚整體有了柔性基底，允許巷道有少量變形（見圖9）。

圖9 鋼梁棚支護示意圖

3 效果分析

止水套管管體充分進入巖體，起到防突水的效果，杜絕了放水時突水事件的發生；利用錨索固定，能有效防止止水套管滑落，增加現場操作人員的安全性；多節組裝而成，搬運輕便，組裝靈活，節約運輸時間；安裝工藝簡單，操作方便，密閉性強，耐壓性能好。

棚腿基具有強度高，體積小，堅固耐用，有可回收復用的優點。每組棚腿基之間使用夾板進行柔性鏈接，這樣可使巷道整體支護剛度適宜，又具有一定柔性和可縮性，采用柔性連接后，它即允許圍巖產生一定量的變形移動，以發揮圍巖的自承力。

4 結語

ZQJC 系列鉆機使用了配套的止水套管，操作方便，使用安全，降低成本。在鉆探和放水時，在保證人員安全的前提下，可以有效的控制放水量。

每節棚腿基架設兩架鋼梁棚，形成一節支護，每節支護之間留有空間，如此反復支設，每兩節金屬棚基之間的空間是卸壓通道，使巷道整體變為支讓結合的支護方式，圍巖可向預留空間發展變形，從而減輕巷道圍巖變形對巷道支護的破壞。