大斷面巖巷快速過陷落柱技術實際應用

牛永紅 邢奇凱

（山西蘭花科技創業股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城 048400）

1 概況

望云煤礦北翼軌道大巷為全巖巷道，設計掘進長度約1062 m。巷道為直墻半圓拱斷面，寬5.3 m，高4.65 m，斷面21.63 m2，沿15號煤層底板巖層掘進。掘進至135 m 處時工作面迎頭矸石開始雜亂，鑿巖機施工炮眼和支護錨桿時卡鉆嚴重。經地質部門鉆探施工，發現前方為大小約62 m×51 m 的陷落柱。

2 陷落柱特征及巷道支護機理分析

2.1 陷落柱特征

陷落柱是煤系地層在地下水等條件作用下，自然形成的塌陷現象。現場觀察和探測發現，陷落柱形狀為橢圓柱狀，剖面為上大下小的類似漏斗狀。陷落柱邊緣巖層混亂，亂石互相夾雜，邊緣較為破碎。陷落柱一般區域強度不足，圍巖不穩定[1-2]，并且陷落柱揭露時存在弱水性，陷落柱內部結構一般較為混亂，遇水容易變形，產生巖石風化。

2.2 根據陷落柱圍巖特性選擇合理支護形式

（1）陷落柱邊緣巖層互相夾雜，巖層混亂，較為破碎，若支護不及時極易導致頂板垮落，經研討后決定采用“錨網噴+U 型鋼架”組合支護。

（2）陷落柱內部為暴露的巖體層狀結構，圍巖穩定性相對較強，決定采用“錨網支護”，掘進一定距離后統一進行噴漿[3]。

（3）陷落柱頂板較破碎時，采取6300 mm 錨索“2-1-2”加強支護，頂板較為完整時錨索“2-0-2”進行加強支護[4]。

3 快速通過陷落柱的實際應用

3.1 爆破參數設計

剛開始施工時，根據以往陷落柱分布結構特征，考慮到陷落柱內部巖石松軟、較為破碎，單個循環進尺較大可能會導致頂板垮落、支護不完整，因此采用小循環爆破。設計炮眼深度1.2 m，兩個小班一個循環（一班爆破，一班支護出矸）。經3 d 生產實踐，兩個小班不能完成1 m 循環，三個小班時間有富裕。從施工最初的8～10 m 來看，開拓速度慢，自第12 m 開始，發現巷道頂板、卡釬現象都有所好轉，便嘗試加深炮眼深度，改為2.2 m，同時加大周邊眼數，以保證爆破成型效果和頂板完好程度。

3.2 炮眼布置及爆破設計

為保證爆破效果及成型質量，經不斷試驗，實行兩掘一錨作業方式，掏槽眼2.4 m，于巷道中下部共設置4 個，角度為靠近中心70°，掏槽眼距1200 mm，周邊眼由原來的25 個增加為36 個，但裝藥量適當減少。具體炮眼布置圖如圖1。

圖1 炮眼布置圖（mm）

鉆眼時，采用CMM2-24 液壓雙臂鉆車，Ф22 mm×1200 mm 六角中空鋼釬配合45#鉆頭進行鉆眼施工，選用煤礦三級乳化炸藥和1-4 段毫秒延期電雷管。炮眼分類及裝藥量見表1，爆破方式為正向一次全斷面起爆。

表1 炮眼分類及裝藥量

3.3 支護參數設計

頂錨索布置： 錨索規格Ф17.8 mm×8300 mm，采用“2-0-2”布置，間距1800 mm，排距2000 mm，并用錨具配合鋼托板和長14#槽鋼梁對錨索進行固定。錨固時使用兩支中速和一支快速錨固劑進行端頭錨固，錨固長度為1550 mm，預緊力為120 kN。

頂錨桿間距900 mm，排距1000 mm，錨桿呈放射性，以半圓拱形巷道圓心為起點向拱墻打設，每排8 根。幫錨桿間距800 mm，排距1000 mm，巷幫兩側每排各3 根。錨桿采用高強螺紋鋼錨桿Ф20 mm×2100 mm，錨桿固定采用錨固劑型號MSCKa2335/MSZ2360，錨固長度950 mm；采用6#鋼筋網護頂，網格100 mm×100 mm，網片2000 mm×1200 mm，采用一排搭接一排，每排搭接長度200 mm，雙排使用14#鉛絲隔孔相聯。螺紋鋼錨桿預緊力矩≥250 N·m，錨固力≥100 kN。陷落柱巷道支護布置圖如圖2。

圖2 陷落柱巷道支護布置圖（mm）

3.4 注漿加固技術

巷道自135 m 處遇見陷落柱，145 m 處頂板較好，卡釬現象稍有改觀，實行“兩掘一錨”掘進至163 m 處時，巷道支護時有黃水流出，錨桿機出現卡頓現象，錨桿（索）預緊力達不到規定要求。經鉆孔窺視，發現在灰巖頂板中形成了眾多不規則分布的黃泥入侵空洞層，使之變為含多軟弱夾層的巖溶區多空洞黃泥入侵復合頂板。頂板空洞層和黃泥入侵軟弱夾層對頂板圍巖結構的完整性以及巖體強度都有很大的弱化作用，致使錨桿（索）錨固劑粘結于黃泥周圍時，達不到扭矩力要求，錨固效果較差，未能使破碎巖石和基本頂形成完整支護體，長時間在采動應力和巖層水的作用下頂板巖層容易發生破壞。

后經相關技術人員查驗資料及相關礦井技術借鑒[5]，提出采用淺部低壓滲透封隙注漿+深部高壓注漿的加固方式進行加固支護。注漿加固原理如圖3。

圖3 注漿技術方案對比圖

3.5 注漿設計參數

注漿材料采用近納米級預應力注漿復合料（FZY-Ι 型），粒度為2.0～1.5 μm。該材料具有高流動性、高滲透性、凝固速度可控、強度高、膨脹力大、阻燃、抗靜電等特性，現場施工操作簡單，可用水泥基注漿設備進行注入施工。在一定注漿壓力的作用下，漿液在破碎煤巖體裂隙中流動、滲透，并產生膨脹力和粘結力，在漿體凝固后產生預應力加固效果，形成的預應力加固體和凝結體的整體強度大于母巖強度1～1.5 倍，對一般破碎煤體的加固強度可達15～20 MPa。

注漿錨桿：在巷道頂板拱形斷面內8 根錨桿中的3#、6#錨桿使用Φ22 mm×2400 mm 注漿錨桿，搭配Φ22 mm×8300 mm 注漿錨索，其他支護材料、規格和原支護一致。推薦水灰比為0.4～0.6，注漿壓力2.0～3.0 MPa。注漿方式為排間間隔注漿，即1 排、3 排、5 排……先注漿，2 排、4 排、6 排……后注漿。注漿泵采用ZBQ-20/3 氣動注漿泵，注漿壓力不小于2.0 MPa。

使用FZY-1 型復合料注漿后，檢測其他正常支護錨桿預緊力及拉拔力，發現還有少量扭矩達不到250 N·m，但已保證在150 N·m 以上。為保證巷道支護質量，在巷道架設“U”型鋼架架棚，使用木楔、道木等將鋼架和頂板貼緊幫實。架棚后鋪設鋼筋網，在巷道表面噴涂混凝土層，噴漿厚度不低于150 mm。巷道注漿及“U”型鋼架支護如圖4。

圖4 注漿錨索及鋼架、噴漿支護圖（mm）

3.6 支護效果驗證

為驗證“錨網索+注漿+U 型可縮支架”支護方案的可靠性，在該區域巷道中部布置監測站，監測巷道周邊收斂量。采用十字布點法，監測記錄巷道表面任意兩點間距離變化情況，使用鋼帶尺、卷尺等測量頂、底板和兩幫的相對移近量值，記錄相關數據變化值。

從圖5 可以看出，巷道頂底板位移量主要發生在工作面掘進16～19 d 內，巷道圍巖變形隨時間逐步增加，頂底板最大位移量近43 mm；30 d 后，頂底板及兩幫位移量趨于穩定。從位移監測數據來看，“錨網索+注漿+U 型可縮支架”支護方案使得陷落柱區域163～189 m 處巷道圍巖變形量處于合理范圍之內，能夠滿足工作面永久支護的要求。

圖5 圍巖位移變化圖

4 結語

望云煤礦軌道大巷施工過程中通過改進爆破參數設計、循環作業方式等加快陷落柱掘進速度，并在支護質量不達標情況下，通過施工注漿錨桿、錨索形成高強度假頂，強度達到要求后，再架設“U”型鋼架棚及噴射混凝土與圍巖形成密閉空間。通過圍巖巷道觀測實際效果驗證，符合巷道永久支護標準，為后續該礦快速通過陷落柱等構造支護方式提供了借鑒。