陳　吉

(山西宏宇誠(chéng)鑄建設(shè)工程有限公司)

巷道在掘進(jìn)期間會(huì)經(jīng)常遇到斷層、陷落柱、地塹等地質(zhì)構(gòu)造，受構(gòu)造應(yīng)力及采動(dòng)壓力的影響，掘進(jìn)巷道頂板會(huì)出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，頂板一定范圍內(nèi)會(huì)形成破碎松動(dòng)圈，松動(dòng)圈內(nèi)巖體成破碎狀，膠結(jié)穩(wěn)定性差且極易發(fā)生塑性變形，大大提高了巷道破碎頂板的維護(hù)難度，若支護(hù)方案選擇不合理、支護(hù)措施不到位，極易發(fā)生礦井重大安全事故(如頂板大面積垮落等)[1-5]。因此，在巷道掘進(jìn)通過(guò)構(gòu)造帶時(shí)，有必要預(yù)先了解巷道頂板巖性及破碎情況，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況制定合理有效的巷道掘進(jìn)支護(hù)方案[6-7]。本研究以山西塔山煤礦2203巷為例，通過(guò)分析該巷道在掘進(jìn)通過(guò)斷層帶時(shí)原支護(hù)方案存在的不足，并重新設(shè)計(jì)聯(lián)合支護(hù)方案，為確保巷道安全、快速掘進(jìn)，提高巷道破碎頂板穩(wěn)定性提供有力保障。

1　工程概況

塔山煤礦位于大同市南郊區(qū)以南15 km，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為30 Mt/a，采用平硐開(kāi)拓方式，礦井內(nèi)共分4個(gè)盤(pán)區(qū)，分別為一盤(pán)區(qū)、二盤(pán)區(qū)、三盤(pán)區(qū)以及雁崖擴(kuò)區(qū)，盤(pán)區(qū)回采煤層為3-5#石炭系煤層，煤層平均厚度為11 m。

2203巷位于井田二盤(pán)區(qū)南翼，巷道以南為實(shí)煤區(qū)，巷道以北依次布置有盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷、盤(pán)區(qū)輔運(yùn)巷、盤(pán)區(qū)皮帶巷，巷道以東為8202工作面，以西為8204工作面。2203巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 401 m，巷道斷面規(guī)格為5.5 m×3.6 m(寬×高)。由于3-5#煤層內(nèi)含有多層矸石，其中位于3.6～4.9 m處含有1層碳質(zhì)泥巖，2203巷沿該巖石層平行掘進(jìn)。該巷采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)施工工藝，截至目前已掘進(jìn)640 m。

根據(jù)塔山礦相關(guān)地質(zhì)資料，2203巷掘進(jìn)至650 m處將揭露1條正斷層F3，斷層落差為2.4 m，斷層傾角為55°。施工巷道掘進(jìn)至610 m處時(shí)頂板出現(xiàn)了局部破碎、煤壁片幫現(xiàn)象，頂板壓力明顯加大，隨著該巷不斷延伸頂板出現(xiàn)了大面積破碎現(xiàn)象；巷道掘進(jìn)至640 m處，頂板出現(xiàn)了冒頂現(xiàn)象，最大冒落高度達(dá)到1.1 m?？梢?jiàn)該巷道原支護(hù)方案無(wú)法滿(mǎn)足需要，巷道掘進(jìn)被迫停工。為確保該巷道能夠安全快速掘進(jìn)通過(guò)F3斷層帶，有必要對(duì)巷道原支護(hù)方案的不足進(jìn)行分析，并重新設(shè)計(jì)支護(hù)方案。

2　2203巷頂板原支護(hù)方案及存在問(wèn)題

2.1　2203巷頂板原支護(hù)方案

2203巷頂板原支護(hù)方案的主要內(nèi)容為：①2203巷為矩形斷面，原支護(hù)方案中巷道頂板采用錨桿、錨索、鋼帶、金屬網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，護(hù)幫采用單錨桿進(jìn)行支護(hù)；②頂板錨桿采用長(zhǎng)度為2.0 m，直徑為20 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置6根，錨桿間距為1.0 m，排距為1.0 m；③頂板鋼帶長(zhǎng)度為5.3 m，每根鋼帶焊制6個(gè)直徑為25 mm的圓孔，圓孔間距為1.0 m，鋼帶與錨桿配套使用(圖1)；④頂板單錨索采用長(zhǎng)度為5.3 m、直徑為17.8 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，每排施工3根錨索，錨索間距為2.0 m，每隔4排鋼帶施工1組單錨索；⑤頂板金屬網(wǎng)采用8#鉛絲編制的菱形方格網(wǎng)，金屬網(wǎng)規(guī)格為6.0 m×1.2 m(長(zhǎng)×寬)，網(wǎng)間搭接寬度為0.2 m；⑥頂板錨索采用2支型號(hào)為MSZ23/60型錨固劑進(jìn)行錨固，錨固長(zhǎng)度為0.9 m，錨桿采用1支MSZ23/60型錨固劑進(jìn)行錨固，錨固長(zhǎng)度為0.55 m[8-10]。

圖1　2203巷原支護(hù)設(shè)計(jì)斷面(單位：mm)

2.2　問(wèn)題分析

(1)2203巷設(shè)計(jì)高度為3.6 m，巷道掘進(jìn)煤層厚度為11 m，巷道頂板預(yù)留煤層厚度為7.4 m，當(dāng)施工巷道在揭露F3斷層時(shí)頂板出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，平均冒落高度為1.2 m，冒落后頂板預(yù)留煤層厚度為6.2 m。原支護(hù)方案中設(shè)計(jì)的錨索長(zhǎng)度為6.3 m，采用該錨索支護(hù)頂板時(shí)錨索的錨固端處于煤層與直接頂交界處，受構(gòu)造應(yīng)力影響，錨索錨固效果差，且錨索直徑為17.8 mm，錨索屈服強(qiáng)度低，在斷層帶附近頂板壓力加大，錨索便出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象。

(2)施工巷道掘進(jìn)煤層為石炭系煤層，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，煤層膠結(jié)穩(wěn)定性差，巷道頂板巖層成破碎狀態(tài)，若僅采用單一錨桿、錨索支護(hù)后，頂板塑性變形會(huì)較嚴(yán)重，巷道頂板隨著時(shí)間推移下沉量逐漸加大，不僅威脅著巷道施工安全，而且不利于后期頂板維護(hù)。

(3)在揭露斷層帶期間，巷道頂板的破碎深度為0～2.0 m，而原支護(hù)方案中頂板的錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2.0 m，錨桿錨固端位于頂板破碎巖體內(nèi)，不僅支護(hù)難度大，而且支護(hù)效果差。

(4)原支護(hù)方案中錨桿、錨索均采用中速型錨固劑(MSZ型)，完全錨固時(shí)間為10～15 min。巷道在過(guò)斷層帶時(shí)頂板出現(xiàn)了破碎、離層現(xiàn)象，中速錨固劑錨固效果差且錨索、錨桿的錨固長(zhǎng)度相對(duì)較短，無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

3　聯(lián)合支護(hù)方案設(shè)計(jì)

為確保2203巷掘進(jìn)過(guò)斷層帶施工安全及提高頂板穩(wěn)定性，本研究設(shè)計(jì)采用以施工交錯(cuò)式懸吊鋼帶、注射膨脹劑、架設(shè)π型鋼棚為主的聯(lián)合支護(hù)方案。

3.1　永久支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高錨索支護(hù)效果，巷道在過(guò)斷層帶期間，將原支護(hù)方案中的錨索更換為長(zhǎng)度為8.3 m、直徑為21.6 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)，錨索排距縮短為2.0 m。在巷道掘進(jìn)過(guò)F3斷層帶期間，采用長(zhǎng)度為3.0 m加長(zhǎng)錨桿代替原支護(hù)設(shè)計(jì)中的錨桿，使得錨桿的錨固端位于穩(wěn)定煤巖體內(nèi)，提高錨桿的支護(hù)效果。為提高錨桿、錨索的錨固強(qiáng)度，頂板錨桿(索)采用型號(hào)為快速型(MSK)及超快型(MSKC)錨固劑，即每根錨索采用2支MSK23/80型和1支MSKC23/60型錨固劑，錨固長(zhǎng)度不宜小于1.8 m；每根錨索采用1支MSK23/80型和1支MSKC23/60型錨固劑，錨固長(zhǎng)度不宜小于1.2 m。

3.2　施工交錯(cuò)式懸吊鋼帶

2203巷掘進(jìn)至640 m處頂板永久支護(hù)施工完畢后，施工交錯(cuò)式懸吊鋼帶(縱橫鋼帶交錯(cuò)布置)，每根鋼帶采用4根錨索進(jìn)行懸吊。首先在頂板施工4根單錨索，錨索長(zhǎng)度為3.5 m，錨索間距為1.6 m，錨索外露長(zhǎng)度為1.5m，錨索排距為2.0 m。當(dāng)3排錨索施工完畢后在其下方吊掛鋼帶，橫向鋼帶垂直于施工巷道布置，鋼帶長(zhǎng)度為5.0 m，鋼帶上焊制4個(gè)圓孔，圓孔間距為1.6m，橫向鋼帶排距為2.0 m。沿巷道掘進(jìn)方向吊掛3根縱向鋼帶，縱向鋼帶長(zhǎng)度為4.5 m，鋼帶上焊制3個(gè)圓孔，圓孔間距為2.0 m，縱向鋼帶排距為1.6 m(圖2)?？v橫鋼帶成“井”字型布置，鋼帶吊掛位置位于巷道設(shè)計(jì)頂板處，鋼帶吊掛后在其上方依次鋪設(shè)風(fēng)帶、金屬網(wǎng)。

3.3　注射膨脹劑

為防止破碎頂板發(fā)生塑性變形，交錯(cuò)式鋼帶懸吊后，在鋼帶與頂板之間注射膨脹劑。2203巷填充的膨脹劑主要為羅克休產(chǎn)品，該產(chǎn)品主要由樹(shù)脂和催化劑以4∶1的體積比相混合而成。2203巷采用型號(hào)為ZQB-5-6Q氣動(dòng)注漿泵注射羅克休膨脹劑，采用礦井壓風(fēng)作動(dòng)力，壓力不宜小于0.4 MPa。頂板破碎區(qū)域填充羅克休后，能夠在極短時(shí)間內(nèi)快速反應(yīng)生成泡沫，發(fā)泡后體積快速膨脹達(dá)到原體積的25～30倍，膨脹后在數(shù)分鐘內(nèi)硬化。

圖2　2203巷交錯(cuò)式懸吊鋼帶平面示意(單位：mm)

3.4　架設(shè)π型鋼棚

π型鋼棚主要由π型頂梁、棚腿以及底座組成，鋼棚成矩形，π型頂梁長(zhǎng)度為5.2 m，棚腿長(zhǎng)度為3.5 m，棚腿中部及頂梁中部分別焊制1個(gè)直徑為25 mm圓孔，底座采用規(guī)格為0.4 m×0.4 m×0.08 m(長(zhǎng)×寬×厚)鋼板焊制而成。破碎頂板處膨脹劑注射后，應(yīng)及時(shí)在其下方架設(shè)π型鋼棚，首先安裝鋼棚底座，底座安裝于巷道底板平穩(wěn)位置，并采用地錨將其與底板進(jìn)行固定。鋼棚底座安裝后分別安裝兩側(cè)棚腿，棚腿與底座之間采用雙向固定螺母進(jìn)行連接，螺母預(yù)緊力不宜小于150 N·m。為確保棚腿穩(wěn)定牢固，在每根棚腿中部施工1根錨桿將其與巷幫進(jìn)行固定(圖3)。

當(dāng)棚腿安裝后在2根棚腿之間安裝π型頂梁，頂梁與棚腿之間采用卡纜進(jìn)行固定連接并進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力不宜小于200 N·m，頂梁安裝后在其中施工1根固定錨桿將其與頂板進(jìn)行固定。π型鋼棚間距為1.0 m，鋼棚與鋼棚之間采用連接桿進(jìn)行固定連接，在過(guò)F3斷層帶期間共需架設(shè)20架π型鋼棚。為保證鋼棚與巷道頂板及巷幫接觸嚴(yán)實(shí)，鋼棚架設(shè)后在鋼棚與巷道間隙處填充水泥背板，水泥背板長(zhǎng)度為1.2 m，寬度為0.4 m。

4　結(jié)　語(yǔ)

為確保塔山礦2203巷安全快速掘進(jìn)通過(guò)斷層帶，針對(duì)該巷道在掘進(jìn)初期出現(xiàn)的巷道圍巖不穩(wěn)定現(xiàn)象，詳細(xì)分析了巷道原支護(hù)方案存在的問(wèn)題，并重新設(shè)計(jì)了包含施工交錯(cuò)式懸吊鋼帶、注射膨脹劑、架設(shè)π型鋼棚的聯(lián)合支護(hù)方案。實(shí)踐表明，該方案應(yīng)用后使得2203巷順利掘進(jìn)通過(guò)了斷層帶，有效確保了巷道頂板穩(wěn)定，可供類(lèi)似礦山巷道掘進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)借鑒。

圖3　2203巷掘進(jìn)過(guò)F3斷層帶時(shí)的聯(lián)合支護(hù)斷面(單位：mm)

[1]宋元發(fā).撞楔鋼棚錨噴支護(hù)在掘進(jìn)巷道冒頂區(qū)域應(yīng)用實(shí)踐[J].煤礦現(xiàn)代化，2018 (1) ：61-62.

[2]閆成柱.淺析掘進(jìn)巷道安全過(guò)斷層支護(hù)工藝實(shí)踐[J].煤，2017(2)：51-52.

[3]張龍?jiān)?掘進(jìn)巷道過(guò)斷層破碎帶支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].山東煤炭科技，2017(9)：32-33.

[4]程新春.煤礦掘進(jìn)巷道過(guò)斷層破碎帶支護(hù)技術(shù)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017(7)：187-188.

[5]王平.掘進(jìn)巷道過(guò)斷層綜合技術(shù)措施研究[J].機(jī)電信息，2011(33)：32-34.

[6]張標(biāo).近距離煤層采空區(qū)下掘進(jìn)巷道過(guò)斷層技術(shù)研究[J].中國(guó)礦業(yè)，2016(2)：91-94.

[7]李毅龍.工作面巷道頂板破碎帶支護(hù)方案優(yōu)化實(shí)踐[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2017(23)：25-26.

[8]李井生.施工巷道過(guò)斷層破碎帶支護(hù)方法[J].煤炭技術(shù)，2011(3)：95-96.

[9]何威杰.大柳塔煤礦特殊地質(zhì)條件下的巷道掘進(jìn)技術(shù)[J].陜西煤炭，2017(6)：80-83.

[10]王九紅.掘進(jìn)巷道過(guò)斷層破碎帶支護(hù)方式探析[J].河南科技，2014(5)：24-25.