超长钻孔超前预注浆在回风大巷掘进过大落差断层组中的应用

王 威杨张杰陈根生王庆牛王福海陈 康

（1.安徽省煤炭科学研究院，安徽省合肥市，230001；2.淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿分公司，安徽省淮南市，232150）

超长钻孔超前预注浆在回风大巷掘进过大落差断层组中的应用

王 威1杨张杰1陈根生2王庆牛1王福海1陈 康1

（1.安徽省煤炭科学研究院，安徽省合肥市，230001；2.淮浙煤电有限责任公司顾北煤矿分公司，安徽省淮南市，232150）

以顾北矿断层异常带区域南翼回风大巷为研究对象，根据掘前超前加固、掘后有效支护的原则，通过长钻孔超前预注浆实现水泥浆充填围岩裂隙，再配合以超前锚杆掩护巷道掘进，以36U型钢为基本支护，并在关键部位采用预应力锚杆锚索强化、全断面喷浆封闭、浅孔低压注浆充填、滞后深孔高压注浆加固等综合控制方案，实现了通过超长钻孔超前预注浆加固可以一次性穿过断层构造带区域。

巷道掘进 过断层 长钻孔 超前预注浆 U型钢

断层异常带区域巷道支护是一项复杂的技术工程，由于断层带区域围岩节理裂隙发育、构造应力集中，在掘进影响下容易进一步恶化，因此其支护难度甚至高于高应力软岩巷道支护。顾北矿北翼采区主采煤层主要集中在顾桥镇地下，由于顾桥镇短时间不能实现搬迁，今后几年顾北矿主采的11#、8#和6#煤层都要转移到南翼采区，而打开南翼采区的关键，首先是采区系统巷道要穿过F104断层组。由于断层带区域构造应力集中、裂隙发育，存在重大的安全隐患，因此采区系统巷道要穿过F104断层组区域不仅具有一定挑战性，而且对顾北矿顺利达产、持续高产稳定将具有重要意义。

1　地质概况

顾北矿南翼回风大巷设计支护形式为架棚支护，巷道断面尺寸5.8 m×4.5 m。根据地测部门提供的资料，南翼回风大巷已施工至SH12点前33.1 m，巷道所处底板标高为-680.0 m。根据超前物探成果资料分析，断层构造带影响该巷道长度约40 m。巷道过F104-1断层附近6#-2煤层，煤层顶板以泥岩和粉砂岩为主，少量薄层状炭质泥岩，岩层裂隙、层理发育。由于断层带区域构造应力集中，因此局部区域围岩极易破碎，不仅滑面多、粘结力差，而且易风化失稳冒落。南翼回风大巷过F104断层组地质预计剖面示意图见图1。

图1　南翼回风大巷过F104断层组地质预计剖面示意图

2　掘前超前预注浆参数及施工工艺

超前预注浆钻孔共布置12组，钻孔布置在开挖面上，最长钻孔为48 m，超过断层影响区域8 m，最短钻孔为37 m。具体超前预注浆钻孔设计参数见表1。通过超长超前高压预注浆，巷道顶板上方10 m、帮部左右10 m以及底板下方5 m范围内岩石裂隙都得到充填，提高了巷道前方F104断层组围岩的力学性能。超前预注浆钻孔布置如图2所示。

表1　南翼回风大巷超前注浆钻孔设计参数

图2　超前预注浆钻孔布置示意图

超前预注浆施工工艺如下:

（1）开挖面找平，挂网初喷混凝土。初喷混凝土喷层厚50～100 mm，喷浆料按水泥、黄砂、石子为1∶2∶2的重量配比，水灰比0.5∶1，速凝剂用量为水泥重量的3%，水泥采用42.5#普通硅酸盐水泥。初喷混凝土范围为开挖面及开挖面向后10 m范围围岩。

（2）在开挖面上施工1#～5#中空注浆锚索，加固开挖面。中空注浆锚索均垂直开挖面布置，注浆压力0.5 MPa，水灰比为0.75∶1。

（3）复喷混凝土。复喷混凝土喷层厚100～150 mm，喷浆料及喷浆位置同初喷混凝土及位置。

（4）在开挖面施工1#～12#长钻孔，开孔孔径133 mm，孔深12 m，采用ø108 mm岩芯管进行固管，岩芯管上用ø8 mm的钢筋焊接3道，每道4根，固管长度为12 m。固管水泥凝固48 h后，要进行固管耐压试验，固管压力为10 MPa。

（5）进行1#～12#长钻孔低压注浆。目的是密实岩芯管与围岩之间间隙，浆液配比1∶1.25～1∶1.5，添加水泥重量的0.5%工业盐和0.05%的三乙醇胺。

（6）继续施工1#～12#长钻孔到达设计深度及高压注浆，采用ø75 mm钻头套在ø108 mm孔口套管内钻孔至设计深度。长钻孔注浆压力15 MPa，浆液配比同低压注浆材料一致。为了提高长钻孔高压注浆效果，每次注浆时必须保证开挖面有2个已套好的孔（2个孔不在同一位置），一方面是为了排放围岩内部气压，另一方面若断层带内有与水泥不易固结的淤泥，可以通过高压注浆将淤泥挤出来。

（7）1#～12#长钻孔注浆结束48 h后，施工检验孔，若钻孔出现泥糊及喷孔现象，必须要重新补孔注浆，直至检查钻孔不出现泥糊及喷孔现象，方可开始向前施工。开挖面中空注浆锚索及超前预注浆钻孔位置见图3。

图3　开挖面中空注浆锚索及超前预注浆钻孔位置示意图

3　巷道支护技术参数及施工工艺

为使巷道能顺利通过断层异常地质构造带，根据掘前超前预注浆加固、掘后有效支护的原则，超前预注浆加固后采用以36U型钢为基本支护，关键部位预应力锚杆锚索进行强化、全断面喷浆封闭、浅孔注浆充填、滞后深孔注浆加固等综合控制方案。

（1）为防止开挖面因顶板破碎而出现漏冒现象，巷道应在超前锚杆掩护下掘进。超前锚杆采用ø22 mm×2500 mm螺纹钢锚杆，锚杆安装与巷道走向呈5°～10°夹角外倾，间排距0.2 m×1 m，每断面布置29根超前锚杆。

（2）架设36U型棚支护，U型棚支架棚距500 mm。

（3）施工固棚锚杆和固棚常规锚索。在U型棚棚腿两侧各施工2组固棚锚杆，固棚锚杆规格为ø22 mm×2500 mm，锚杆滞后开挖面距离不超过10棚的距离；固棚锚索则按1-2布置，即第一排布置在棚梁正顶位置，第二排布置在棚梁两侧肩窝位置，固棚锚索规格为ø21.8 mm×6300 mm。固棚锚索滞后开挖面距离不超过2棚的距离；锚索、锚杆钻孔直径为ø32 mm。

（4）滞后开挖面不超过20 m进行喷浆及浅孔注浆。浅孔间排距为2500 mm×3000 mm，每排布置5个浅注浆孔，孔深1.0 m，孔径42 mm，采用长0.5 m、ø19 mm浅孔注浆管。

（5）滞后开挖面不超过30 m施工中空注浆锚索。中空注浆锚索采用5-0布置，间排距为2000 mm×1000 mm，即隔棚分别在巷道正顶、两侧肩窝及两侧帮各布置1根中空注浆锚索，中空注浆锚索规格为ø22 mm×6300 mm，中空注浆锚索钻孔ø32 mm，每孔2卷Z2360锚固剂，注浆压力10～15 MPa，深孔水灰比为1∶1。回风大巷掘进过程中围岩支护布置如图4所示。

4　工业性试验

当巷道距断层面约20 m时，进行超前预注浆加固巷道前方围岩。历时28 d，共施工12组超前预注浆钻孔，共计注水泥1132袋，重56.6 t，实现了长钻孔超前预注浆一次性穿过断层构造带区域。通过对断层异常带南翼回风大巷支护效果近一年矿压观测表明，断层构造带区段巷道顶板下沉量为40 mm，底鼓量为120 mm，两帮移近量为248 mm，巷道宽度均不小于5 m，混凝土喷层没有出现开裂，巷道基本上不需要维修，说明巷道过断层异常带区段顶、帮及底板进行整体加固后，巷道围岩变形量大幅降低。

图4　回风大巷掘进过程中围岩支护布置示意图

南翼回风大巷过F104断层组试验段以超前锚杆掩护巷道掘进，以36#U型钢为基本支护，通过关键部位预应力锚杆锚索强化，不仅达到了预期目的，而且避免了巷道重复翻修，说明试验段所采用的支护方案合理。

5　结语

（1）注浆前巷道围岩不仅裂隙发育，而且松散破碎；注浆后，通过钻孔窥视，基本上看不到围岩裂隙，达到了围岩裂隙被水泥浆充填密实的目的，实现了通过超长钻孔超前预注浆一次性穿过断层构造带区域。

（2）断层异常带试验段与过断层前非试验段相比，巷道围岩变形量及变形速度均大幅降低。断层异常区按设计要求施工时不仅围岩变形量得到有效控制，而且与过断层前非试验段相比还实现了免修护。

［1］ 张斌川，卢辉，刘路等.不同支护形式下深部巷道支护对比试验研究［J］.中国煤炭，2014（12）

［2］ 唐红，朱晓菲.巷道锚杆锚索协同支护数值模拟研究［J］.中国煤炭，2014（4）

［3］ 吴志忠，李金海.复合顶板锚杆支护的叠加支护方法［J］.中国煤炭，2003（5）

［4］ 贾济宾.超前预注浆结合径向注浆封堵高压断层水技术［J］.矿业安全与环保，2012（6）

［5］ 查文华，黄嵘，华心祝.许疃矿72煤工作面破碎顶板超前预注浆加固控制技术研究 ［J］.煤炭工程，2012（9）

［6］ 王明胜，王全胜.海底隧道超前预注浆注浆压力选择研究［J］.现代隧道技术，2010（2）

［7］ 吴鑫，李基.浅埋薄基岩超前预注浆防水参数设计及工程验证［J］.煤矿安全，2014（7）

［8］ 李木宣，马海峰.大断面煤巷过断层组超前预注浆加固应用研究［J］.煤矿开采，2013（4）

［9］ 韩玉明.综放工作面回风巷超前预注浆加固技术［J］.煤炭科学技术，2013（8）

［10］ 陈科，刘兆义，顾新泽等.大采深综采工作面过断层超前预注浆技术应用［J］.煤炭技术，2012（11）

［11］ 范飞，虚增余，姬文瑞等.地表超前预注浆技术在治理阿拉坦隧道浅埋破碎带中的应用研究 ［J］.铁道建筑，2012（11）

（责任编辑 张毅玲）

Appilication of overlength borehole pre-grouting in main return airway crossing big drop fault group

Wang Wei1，Yang Zhangjie1，Chen Gensheng2，Wang Qingniu1，Wang Fuhai1，Chen Kang1
（1.Anhui Province Coal Science Research Institute，Hefei，Anhui 230001，China；2.Gubei Coal Mine，Huaizhe Coal Electricity Co.，Ltd.，Huainan，Anhui 232150，China）

Taking the main return airway located in south side of abnormal fault zone in Gubei Coal Mine as the object of study，according to the principles of advance strengthening before digging and effective support after digging，cement paste pre-grouting in overlength borehole was used to fill the fractures in surrounding rock，advance anchor bolts were used to protect the roadway excavation.Taking 36#U-type steel as basic support method，integrated control methods were used in key positions，such as pre-stressed anchor bolts and cables，full-section guniting and sealing，shallow hole grouting filling with low pressure，delayed longhole grouting reinforce ment with high pressure，which reliazed that the main return airway could cross the fault tectonic zone by using overlength borehole pre-grouting reinforce ment.

roadway excavation，crossing fault，long borehole，pre-grouting，U-type steel

TD353

A

王威（1982-），男，安徽灵璧人，助理研究员，硕士研究生，2015年安徽理工大学硕士研究生毕业，现主要从事煤巷锚杆支护设计研究、软岩巷道矿压的显现规律及治理工作。