二采區回風巷過斷層施工工藝及支護技術

張鵬珍

（晉能控股煤業集團四侯煤礦，山西 晉城 048100）

1 概述

晉能控股煤業集團四侯煤礦二采區回風巷由南向北開拓掘進，巷道西部為膠帶輸送機大巷，南部為人行大巷（進風巷），東部為一采區采空區，與采空區預留保安煤柱寬度為27 m。二采區回風巷設計掘進長度1450 m，巷道為矩形斷面，凈寬為5.0 m，凈高為4.0 ，沿3#煤層頂板掘進。煤層平均厚度為4.65 m，平均傾角為3°，堅固性系數為f=3.37，硬度f=3～4，煤層屬硬煤層，容重1.45 t/m3，煤層頂底板巖性見表1。

表1 二采區回風巷3#煤層頂底板巖性表

二采區回風巷掘進至760 m 處，揭露F351 正斷層，走向近東西向，傾向南，傾角70°，落差3.2 m，對巷道掘進影響長度為47 m；巷道掘進至755 m 處時進入斷層應力區，巷道頂板及兩幫破碎嚴重；當巷道掘進至760 m 處時在構造應力以及鄰近采空區殘余應力作用下，位于采空側巷幫出現嚴重片幫現象，并伴隨肩角煤柱垮落，造成斷層區巷道頂板成“尖錐”狀，頂板支護難度大、支護效果差。

2 斷層區巷道施工工藝優化

由于原二采區回風巷采用的矩形斷面承載能力低，在應力作用下易出現變形，所以決定對斷層區巷道斷面進行優化，巷道布置為拱形斷面，并采用分層爆破施工工藝[1-5]。

（1）二采區回風巷斷層區拱形巷道寬度為5.0 m，高度為4.0 m，其中拱高為2.5 m，拱基高為1.5 m。巷道拱形段頂板采取W 型鋼帶、錨桿、鋼筋網、錨索進行聯合支護，拱基段采取單錨桿支護。

（2）原巷道采用EBZ260 型掘進機掘進，單茬全斷面掘進深度為1.0 m。由于巷道斷面大，掘進后不能及時對頂板支護，且全斷面掘進時斷層區圍巖在集中應力作用下很容易出現蠕動變形破壞作用，所以決定對拱形段采取分層爆破施工工藝。

（3）巷道分層爆破時拱基段采取全斷面光面爆破，規格為長×高=5.0 m×1.5 m，拱形段采取松動爆破，拱基段共計布置32 個爆破孔，其中掏槽孔4 個，深度為1.5 m，輔助孔8 個，深度為1.3 m，周邊孔20 個，深度為1.3 m。

（4）拱形段共計布置20 個松動爆破孔，鉆孔深度為1.0 m，鉆孔垂直迎頭巖體，在拱形段中部布置兩個掏槽孔（孔深1.5 m），與拱基段同步爆破，實現對松動爆破巖體超前爆破預裂。

（5）光面爆破孔內填裝三段毫秒延期電雷管（1段、3 段、5 段），松動爆破孔填裝兩段毫秒延期電雷管（1 段、5 段），延期時間為130 ms，光面爆破孔中輔助、周邊孔單孔裝藥量為0.9 kg，掏槽孔單孔裝藥量為1.2 kg，松動爆破孔單孔裝藥量為

0.6 kg。

（6）先進行全斷面光面爆破，爆破時將拱形段掏槽孔同步爆破，后進行掏槽爆破，松動爆破時按先輪廓后中部的順序，爆破后及時對拱形段頂板進行支護。

3 斷層區巷道加強支護技術

3.1 深孔帷幕注漿加固

為提高拱形頂板承載能力以及加固采空區側巷幫圍巖，決定對斷層區巷道采取深孔帷幕注漿加固。

（1）帷幕注漿孔參數。鉆孔深度為10 m，直徑為45 mm，鉆孔采用液壓鉆機配套中空鉆桿以及直徑為45 mm 合金鋼鉆頭施工。拱形頂板共計布置5 個鉆孔（1#～5#），采空區巷幫共計布置兩個（6#～7#），其中4#、5#、6#、7#四個鉆孔向采空區側偏角為30°。

（2）注漿材料。目前注漿材料主要分為有機材料和無機材料，有機材料如馬麗散、聚氨酯、雷特因等，無機注漿材料如水泥砂漿、粉煤灰等。但是在實際應用中發現，有機注漿材料具有成本費用高、反應過程中產生大量熱量等缺點，而無機注漿材料具有滲透能力差、凝固時間長等缺點。二采區回風巷決定采用以水泥熟料為主料，以石膏、生石灰為輔料的新型注漿材料，各成分配比見表2。

表2 新型注漿材料各成分配比

（3）注漿工藝。采用雙通注漿泵進行注漿施工，先將主料、輔料分別加入攪拌桶內，然后對兩種基料分別加入減水劑、速凝劑、增稠劑并均勻攪拌，最后采用注漿泵進行高壓注漿施工。為了提高注漿效果，注漿前對注漿鉆孔進行封孔處理，注漿壓力為4.5 MPa。

3.2 水力膨脹錨桿施工

由于受采空區影響，二采區回風巷采空區側巷幫收斂、破碎，而采用傳統錨桿支護時錨桿預應力無法有效傳遞至穩定巖體內，錨桿支護效果差、失效率高，所以決定對巷幫采取水力膨脹錨桿支護。

（1）支護原理。將水力膨脹錨桿錨固在巖體中，然后對錨桿高壓注水，當水壓大于膨脹錨桿桿體屈服強度時，桿體膨脹變形被鑲嵌在巖體中。桿體膨脹過程中與巖體之間產生極大摩擦力，同時對鉆孔附近破碎巖體進行擠壓形成擠壓受力圈，從而減小卸壓空間，控制圍巖裂隙范圍擴大，如圖1。

圖1 水力膨脹錨桿支護原理圖

（2）支護結構。水力膨脹錨桿主要由錨固端、桿體、收縮固定骨架、玻璃鋼托盤、注水嘴、擋圈等部分組成。桿體長度為2.0 m，直徑為20 mm，桿體膨脹系數為1.4，桿體屈服強度為280 MPa。

（3）支護工藝。① 每排布置3 根水力膨脹錨桿，錨桿布置間距為1.0 m，上部錨桿以10°仰角布置，中部錨桿垂直布置，下部錨桿以10°俯角布置；②錨桿錨固后采用螺母進行預緊，然后在其外露端依次安裝擋圈、注水嘴并與注水泵連接；③ 注水時注水最大壓力為18 MPa，當注水壓力達10 MPa 時穩壓10 min，注水完成后開泵卸壓放水。

3.3 支設U29 型鋼棚

（1）為了提高拱形圍巖承載強度，對拱形段巷道支設U29 型鋼棚進行加強支護。鋼棚從過斷層前2.0 m 處開始架設，直至過斷層后2.0 m 停止架設，架設間距為1.0 m，共計架設51 架。

（2）U29 型鋼棚主要由弧形頂梁、U29 型棚腿、抱箍、底座、防倒拉桿等部分組成。棚腿緊貼巷幫支設，棚腿安裝后采用錨桿進行固定；弧形頂梁由三節組成，相鄰連接采用對插式安裝，對插深度為0.4 m，對插后采用抱箍進行固定。

（3）鋼棚安裝時保證頂梁與頂板之間預留0.2 m 間隙，所有鋼棚安裝后在間隙處填充長度為1.2 m 水泥背板，相鄰兩架鋼棚棚腿、頂梁之間采用六組防倒欄桿固定，如圖2。

圖2 二采區回風巷斷層區聯合支護示意圖（mm）

4 結語

（1）對過斷層區巷道斷面優化為拱形斷面，提高了拱頂承載強度，與錨桿（索）支護形成的應力拱聯合抗壓。

（2）采取分層爆破施工工藝，解決了機械全斷面掘進以及全斷面爆破時，受擾動影響嚴重以及圍巖破碎、垮落等技術難題。

（3）對斷層區采取聯合支護技術，提高了圍巖承載強度，防止在集中應力作用下圍巖破碎現象。巷道在后期兩幫收縮量僅0.21 m，采空區側巷幫僅局部收縮，但未出現斷裂、垮落。