回采巷道過斷層施工技術

牛 昊

(大同煤礦集團有限公司忻州窯煤礦，山西 大同 037003)

0 引言

斷層是巷道掘進過程中最常見的地質構造，隨著礦井開采深度的增加和地質條件的復雜，巷道在掘進過程中遇到斷層的可能性不斷增加，不僅影響巷道的掘進速率，還會給巷道的支護帶來一定的困難，甚至會引起安全事故[1-4]。如何科學合理地過斷層是巷道能否快速掘進的關鍵，在掘進施工后的支護也是保證工程順利的重要因素[5-6]。為此，通過對回采巷道過斷層施工技術研究，不斷優化斷層區域巷道支護參數，以期提高巷道的承載能力，保證礦井的安全高效生產。

1 斷層影響巷道失穩模擬

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，距離采空區最近為3.15 m，西側為八里鋪斷層保護煤柱線，北側為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軌順過斷層時巷道圍巖變形量和塑性區范圍，得到斷層影響巷道失穩機理及變形規律，從而為巷道掘進支護提供參考。根據23上04軌順巖層性質設定模型參數，建立了200 m×200 m×146 m模型，模型上方施加3.8 MPa應力荷載。模型各巖層力學參數見表1。

表1 模型各巖層力學參數

2 模擬結果及過斷層方案

2.1 模擬結果分析

巷道圍巖變形量分析：通過模擬得到23上04軌順掘進至120 m范圍內巷道底板、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，巷道掘進至斷層附近時，圍巖變形量加劇，根據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，斷層上盤巷道圍巖變形量比下盤大。

塑性區范圍分析：通過模擬得到23上04軌順掘進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)塑性區范圍，如圖2所示。

圖2 巷道圍巖塑性區范圍

由圖2可知，斷層上盤巷道幫部塑性區最大范圍為2.4 m，上盤過渡帶幫部塑性區最大范圍4.5 m，斷層破碎帶幫部塑性區最大范圍為3.5 m，下盤過渡帶幫部塑性區最大范圍為4.3 m，下盤巷道幫部塑性區最大范圍為1.8 m；上盤巷道頂底板最大塑性區范圍分別為3.5 m、3.9 m，過渡帶和破碎帶巷道頂板最大塑性區分別為5 m、6 m，下盤巷道頂底板最大塑性區范圍分別為2.8 m、3.9 m。由模擬結果可知，過渡帶和破碎帶巷道塑性區范圍增大，并且上盤塑性區范圍大于下盤。

2.2 巷道過斷層方案

后退臥底法過斷層：由于23上04軌順掘進所遇斷層為逆斷層，斷層面沿巷道掘進方向一側煤層下移，采用后退臥底法過該斷層。距斷層面40 m處開始臥底施工，從邊坡點按照腰線開始掘進巷道，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，提高了進尺率[8]。

掘進方式：23上04軌順過斷層掘進采用深孔爆破+綜掘機相結合的方式進尺。巷道掘進上盤采用爆破的方式破巖，盡量“多打眼，少裝藥”，減小由于爆破對斷層附近巷道頂板的破碎程度；下盤采用綜掘機掘進破巖[9-10]。采用該種方法巷道掘進至上盤煤層頂板時，對巷道及時進行支護，當巷道穩定后再進行掘進[11]。

圖3 后退臥底法示意圖

3 支護技術方案

3.1 錨網索超前支護

加強支護：23上04軌順掘進至過渡帶后，受斷層的影響巷道圍巖出現變形破壞，因此，需要超前采用錨網索支護方式加強對巷道的支護，提高巷道的穩定性[12-13]。巷道掘進至過渡帶時，開始加強支護，加密錨桿、錨網數量，減小錨桿、錨網間排距，將原有巷道頂板每排打2根錨索的支護方式改為每排打3根錨索。

錨網索布置：頂板每排施打3根錨索加強支護，錨索規格為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。錨網采用φ6 mm冷拔鋼筋加工而成，規格為2 000 mm×1 000 mm，網格為100 mm×100 mm，全斷面敷掛。

3.2 注漿加固

鉆孔布置：根據23上04軌順地質條件可知，巷道受斷層影響范圍為30 m。由于斷層影響范圍廣，因此，需要采用預注漿技術加強巷道掘進期間斷層破碎帶圍巖強度及完整性。當巷道掘進至破碎帶時，開始對頂板巖層進行注漿加固，沿著巷道軸向共布置5個注漿孔，鉆孔長度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，提高漿液的流動性及和易性。注漿開始應緩慢升壓，正常為0.5～1.0 MPa，終壓為2.0 MPa，斷層破碎帶區域巷道圍巖強度低，因此需要將注漿終壓提高至5.0 MPa，則1605回風巷注漿總量Q為

(1)

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

3.3 U型鋼棚支護

23上04軌順支棚支護時，應當與巷道錨索網超前支護相互配合，共同提高巷道支護強度，增強巷道頂幫抗變形能力，使支護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，桿套采用長度100 mm的φ20 mm鋼管制作。棚梁長度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 結論

(1)以23上04軌順為研究對象，采用FLAC3D軟件模擬巷道過斷層時巷道圍巖變形量和塑性區范圍，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范圍都在過渡帶開始增大，在破碎帶達到最大值。

(2)23上04軌順采用后退臥底法過斷層，并對斷層破碎帶及時采用錨網索、注漿、U型鋼棚進行支護。巷道掘進至過渡帶時，開始加強支護，加密錨桿、錨網數量，減小錨桿、錨網間排距超前支護；采用預注漿技術加強破碎帶圍巖強度及完整性；并通過鋼棚支護與巷道錨索網超前支護相互配合，共同提高巷道支護強度，增強巷道頂幫抗變形能力。

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