煤礦復雜圍巖條件下盾構機施工方法的研究與應用

沈陽

（淮北礦業（集團）有限責任公司工程處，安徽 淮北 235000）

0 引言

隨著我國煤礦開采技術裝備的不斷發展，盾構機作為新型、高效掘進裝備在煤礦領域的應用率不斷提高。近年來盾構機在煤礦開拓工程施工中顯示出的快速、高效的優勢越來越明顯，有效緩解了部分礦區采掘接替緊張問題。采用盾構施工工藝在我國地質條件較好的礦區取得了較好的效果，但淮北礦區井下地質條件復雜，巷道多為穿層施工，構造多、壓力大并伴有淋水，巷道掘進頂板安全管理難度大。目前煤礦用盾構機多為敞開式，其結構存在局限性，刀盤向后至護盾段3 m左右巷道頂板無法及時進行支護，當圍巖條件破碎時頂板易發生冒、漏事故，存在較大安全隱患，且漏冒頂處理時間長，施工效率很低，嚴重影響工程進度。淮北礦業首條盾構線經過在袁二礦七采區軌道大巷和軌道上山施工期間的摸索、實踐，形成了一套過破碎圍巖段巷道的施工方法。

1 工程概況

淮北礦業袁二礦七采區軌道大巷和上山盾構機施工工程量3 100 m（含19°上山1 000 m），巷道設計尺寸為直徑4.88 m正圓形，支護形式為2次錨網索噴支護。巷道施工層位位于3煤層頂板至6煤層頂板，穿層施工，巖性主要以泥巖、粉砂巖為主，構造發育，斷層多，施工范圍內可探測斷層超過20條，其中斷層最大落差440 m，斷層帶圍巖條件非常破碎，且伴有超過20 m3/h的涌水量，極易出現冒漏頂，施工過程中出現最大冒頂高度超過20 m。

2 施工方法

2.1 過破碎圍巖區施工方法

當巷道過斷層施工時，頂板圍巖較破碎，盾構機刀盤推進后可能出現掉頂，工程處在施工過程中不斷創新工藝、摸索方法，采取施工超前密集骨架護頂，利用骨架和注漿管進行深淺孔注漿固頂的施工方法施工見圖1、圖2。

1）利用盾構機第一施工平臺攜帶的3200S鉆機，施工超前巖性探查孔。

2）根據地質預報和巖性探查孔，判斷是否存在頂板冒漏的隱患，是否需要施工超前骨架孔。

3）當迎頭圍巖巖性差，向前施工可能會在刀盤后3 m無支護區域出現冒漏頂時，采取打設超前骨架孔并注漿的施工方案，進行超前護頂，防止出現冒漏頂。超前骨架孔沿盾構機刀盤外400 mm布置，鉆孔間距400 mm（間距可根據巖性調整）,角度2°～3°，深度15 m，鉆孔水平布置寬度3 m，骨架鉆桿外露端頭用錨索托梁進行加固，提高骨架的承載能力。巷道過斷層破碎帶期間，每進尺10 m（壓差5 m）施工一組密集骨架鉆進行超前支護。骨架采用鉆桿及注漿花管（φ73 mm）交替布置，每循環骨架孔施工后，利用注漿花管進行深孔注漿。

圖1 盾構施工支護斷面圖

圖2 超前深淺孔注漿示意圖

4）在15 m長超前骨架孔的掩護下施工φ20 mm×4 500 mm長注漿管進行淺孔注漿補充加固，淺孔注漿管間距1.2 m,角度9°～15°，每排5根，布置在骨架孔下200 mm，每3 m施工一排淺孔注漿管，壓茬1.5 m。

5）注漿材料采用尤安特無機雙組份快速注漿料(以下簡稱尤安特)，深孔注漿時，尤安特凝固時間為1 h，淺孔注漿時，尤安特凝固時間為30 min，施工現場也可根據圍巖狀況，現場調整骨架孔及淺孔注漿施工參數，當迎頭圍巖極為破碎易漏頂時，縮小超前骨架間距，確保不出現漏頂。

6）在超前骨架和深淺孔注漿的掩護下，盾構機逐排施工向前推進，夠一排錨桿間排距及時施工一排，確保永久支護緊跟迎頭。

2.2 過極破碎圍巖區施工方法

若斷層傾斜角度較大、圍巖極為破碎，且具有導水性時，盾構機刀盤推進后，頂板出現漏頂、冒頂，頂板冒漏的泥水混合物從盾構機刀盤間隙里大量涌出，掩埋盾構機，造成盾構機無法施工（見圖3）。此時應停止盾構機刀盤攪動，采取超前注漿加固頂板，人工刷大短掘短支套棚支護的方法，將刀盤上方頂板支護住，再開動盾構機推進施工下部，向前推進。

圖3 刀盤推進后頂板冒漏圖

1）超前骨架施工。骨架沿盾構機護盾外緣布置，密集骨架采用φ75 mm鉆孔進行施工，鉆孔間距不大于300 mm,角度12°～20°，骨架長度必須能夠深入硬巖不小于2 m，骨架孔壓茬3 m施工，每茬骨架管外露部分用錨索梁（1梁3索）進行固定。錨索規格φ17.8 mm×10 000 mm，錨索梁采用11號工字鋼加工，長度3 m,錨索間距1 000 mm。

2）淺孔注漿施工。骨架施工結束后，施工注漿管進行超前注漿。注漿材料采用礦用聚酯材料，注漿管型號φ20 mm，長度確保超過刀盤3 m（根據現場情況調整注漿管長度），注漿管沿護盾外緣布置，角度10°～20°，間距0.5～1.0 m，（間距、角度根據現場情況調整）迎頭每進尺3.0 m進行一次注漿加固。

3）超前撞鐵施工。套棚前施工超前撞鐵，撞鐵采用φ30 mm鋼管加工，長度不小于2 000 mm，外露300 mm，間排距200 mm，角度5°～10°，沿巷道輪廓線布置，每套兩棚施工一茬撞鐵。若施工撞鐵眼過程中，釬子無法撥出，則使用釬子代替撞鐵作為超前支護，釬子長度不小于2 000 mm，見圖4。

4）套棚施工。從盾構機護盾退后3棚檔距進行套棚施工，前三棚按原巷道尺寸進行套棚，為留出人員施工空間，從第四棚（位于護盾上方，施工空間較小）開始向上抬高1 200 mm套棚，第四棚緊貼第三棚套設。第五棚開始按間距600 mm向前套棚，U型棚應優先考慮接到實頂、實幫，再保證成排上線，要確保U型棚套設有勁。

套棚過圍巖破碎區時，錨索無法生根在穩定圍巖或無法施工時，棚子固定采用11號工字鋼配合道木和木楔對棚梁和棚腿進行固定，當棚腿墊實后，用混凝土將棚腿與巷幫噴實，確保U型棚牢固有勁，待盾構機向前施工后，再拆除加固工字鋼。

圖4 超前骨架掩護及淺孔注漿示意圖

3 安全、技術保障措施

3.1 頂板、山墻管理

1）過圍巖破碎帶期間及時縮小循環進度，堅持短掘短支進行施工。盾構機截割后，立即進行敲幫問頂，必要時先噴漿封閉圍巖。及時施工錨桿、錨索、掛網、噴漿成巷。

圖5 架棚支護示意圖

2）采用全螺紋錨桿+鋼筋網對盾構機撐靴前后5 m范圍內及一平臺上300 mm（巷道起拱位置）處進行防護處理，防止人員施工幫部錨桿時出現折幫，在施工過程中出現矸石掉落時要隨時緊固全螺紋錨桿，始終保證托盤緊貼巖面。

3）采取超前骨架深淺孔注漿支護后，局部頂板任出現超挖時，需采用帶帽點柱配合金屬網臨時護頂，帶帽點柱打設一排，間排距1.0～1.5 m，帽沿距端面不大于300 mm。

4）盾構機刀盤截割輪廓線以外因頂板超挖增加的山墻，每循環施工前應在頂板超前支護的保護下進行封山臨時支護，并及時進行永久支護。

5）人工刷大架棚施工。頂板采用4根前探梁作為臨時支護，前探梁由11號工字鋼加工、長度4.5 m，間距1 500 mm。期初架設的3架U型棚前探梁利用錨桿配合卡纜進行固定。人工向前刷大過程中，若頂板、肩窩出現漏、掉情況，及時停止施工進行噴漿封閉并進行淺孔注漿加固，當頂板、肩窩不出現漏、掉情況時，再繼續人工刷大，見圖5。

3.2 注漿管理

1）超前骨架孔要按設計參數施工，確保超前保護距離、高度、寬度符合要求。

2）超前注漿花管孔，施工好后要立即裝入套管，防止塌孔。下套管前清理套管絲頭，防止煤矸混進絲頭造成套管連接不嚴密。

3）注漿花管注漿前要封好孔，封孔時提前將棉紗纏繞在距孔口3 m和5 m處的套管上，纏繞長度1 m,套管下到位后，用封孔劑封堵孔口不少于500 mm,之后將注漿管路與19號閘閥及絲頭與套管相連接。

4）當遇到漏漿情況的時候，暫停注漿泵或調整節流閥，降低注漿速度，停泵時間不能超過3 min，每3 min左右開一次注漿泵，讓泵的活塞往返運動2次，然后停止注漿泵，如此反復，直到已經注入的漿液強度封堵住漏漿裂隙為止，然后繼續正常開泵注漿；當遇到裂隙比較大的漏漿通道的時候，可以用棉紗塞住漏漿通道，輔助漿液封堵漏漿通道。

3.3 瓦斯管理

1）班隊長及跟班負責人每班必須攜帶便攜式甲烷檢測報警儀，跟班隊長負責在迎頭正規懸掛便攜式甲烷檢測報警儀。

2）采用抗靜電阻燃風筒，風筒出風口到迎頭的距離全巖巷道不大于10 m。風筒吊掛應平直，要求環環吊掛，不準擠壓、撕裂、斷開風筒。

3）施工過程中要堅持深淺孔配合探查，利用深孔骨架鉆孔及淺孔注漿鉆孔兼做探眼，施工過程中，若發現瓦斯異常、出現頂鉆等現象，應立即停止作業，但不得撥出鉆桿或釬子，并撤出人員，切斷回風流中的一切動力電源。

4 結 語

淮北礦業袁二礦七采區軌道大巷及上山盾構機穿斷層帶施工是全國范圍內首個極復雜圍巖條件下煤礦盾構機施工實例，施工期間，創新采用了一系列新工藝、新方法，安全有效的穿過了30 m冒高導水斷層破碎帶等20多條斷層破碎帶，未再出現冒、漏頂現象，不僅提高了施工安全性，而且避免了冒頂處理影響，保證了盾構機在復雜地質條件下的穩步施工。

在煤炭行業發展向智能化、信息化、機械化、自動化轉型的大背景下，井工煤礦掘進采用盾構機施工是發展方向，引進盾構機進行巖巷施工是煤礦“減人提效”的重要舉措。敞開式盾構機施工期間為解決新設備不適應破碎圍巖巷道的“水土不服”問題，淮北礦區廣大工程技術人員從實踐中總結經驗，逐步摸索出一套破碎圍巖條件下盾構機的施工方法，為盾構機在全國礦區的推廣應用做出了重要貢獻，其經驗在全國范圍內值得推廣。