回采巷道掘进过断层技术研究

刘京强， 付 浩

(1.贵州鲁中矿业有限责任公司， 贵州 贵阳 550000；2.山东省煤田地质局第五勘探队分析测试中心， 山东 济南 250104)

1 前言

巷道掘进过断层一直是制约巷道掘进安全以及掘进效率提升的重要因素，随着煤炭开采强度以及开采深度增加，煤炭赋存地质构造更为复杂，巷道掘进遇断层频次会显著提升[1-2]。在地应力以及断层构造影响下，断层附近煤岩体较为破碎、稳定性差，给巷道掘进及支护工作开展带来不利影响，采用常规巷道支护措施，围岩变形量大，需要频繁对巷道修整，给巷道使用安全带来不利影响[3-6]。因此，有必要针对矿井现场实际条件提出有针对性的掘进及支护措施，提高巷道掘进过断层安全性及效率。

2 工程概述

新设煤矿开采32号煤层，煤层赋存不稳定，井下32602回采工作面运输巷设计掘进长度为980m，设计断面形状为矩形，宽度4.6m、宽度3.5m，采用型号为EBZ- 200A掘进机掘进，通过转载机以及皮带输送机对掘机的出煤岩进行运输。32煤层顶板有厚度约0.5m泥岩伪顶，且伪顶层理发育，随着巷道掘进容易出现垮落；煤层直接顶为砂质泥岩，呈灰黑色，厚度3.5m；基本顶顶灰白砂岩，厚度8.65m。

32602回采工作面运输巷掘进过程中遇到F27断层，落差2.8m，倾角62°，预计巷道掘进690m处揭露该断层。32603运输巷煤岩层正常区段采用联合支护方式，采用锚杆直径、长度分别为20mm、1 800mm，其中顶板每排布置5根锚杆，巷帮每排布置3根锚杆。为了增强顶板支护强度，在顶板布置2根直径17.8mm、长度9 500mm锚索，锚索间距、排距为2m×3m。锚杆采用2支型号分别为MSK23/60、MSK23/35树脂锚固剂锚固；锚索采用3支树脂锚固剂进行锚固，其中2支型号为MSK23/60，一支型号为MSK23/35。巷道掘进到675m处，顶板岩层较为破碎，在F27断层影响下，巷道顶板以及巷帮变形量显著增加，巷道采用原支护方式容易出现围岩冒落情况，给作业人员安全带来不利影响。因此，经过综合分析，决定在巷道掘进过F27断层期间采用超前锚杆并结合超前注浆技术，对破碎岩体进行控制，提高巷道围岩控制效果，确保巷道掘进安全。

3 超前锚杆布置设计

在巷道掘进前方煤岩体较为破碎时，采用锚杆超前支护时常用技术手段[7-8]。在巷道掘进施工前，在顶板向前方煤岩体中施工锚杆，从而将施工的锚杆当做巷道掘进假顶板，从而提高顶板稳定性，增加巷道掘进安全系数。在32602运输巷掘进遇F27断层时局部采用的锚杆超前支护方案为以下几种。

(1)32602运输巷掘进675m位置处开始布置超前锚杆对破碎顶板进行超前支撑，在施工超前锚杆之前就应做好巷道的永久支护工作，并将掘进巷道断面调整为设计断面。

(2)在掘进工作面前方施工的超前锚杆由15根长度在3.5m的螺纹钢锚杆组成。采用YT- 23凿岩机在巷道顶板处沿着5°外插角施工钻孔，巷道中部钻孔深部为3.2m，两侧钻孔深度为3.4m，施工的锚杆钻孔间距设计为400mm。在巷道最外侧的两根锚杆设计与巷道掘进中心线呈60°外插角，以便可以确保巷帮与顶板相接处三角煤稳定。

(3)锚杆钻孔施工完毕后，迅速向钻孔内插入3支树脂锚固剂，其中2支为MSK23/60，一支型号为MSK23/35，锚固剂装入完毕后，在钻孔内插入锚杆，并使用ZQC- 50/2.5S钻机多锚杆进行锚固，每一根锚杆锚固时间应控制在45s以上，确保锚杆预先施加的锚固剂在200N·m以上。

(4)超前锚杆外露长度为500mm，超前钻孔施工完毕后，再施工3根长度为1.8m锚杆，间距设计为1.8m，锚杆施工完毕后安装长度4.5m钢托架，与超前锚杆一起对破碎岩层进行控制，具体支护断面如图1所示。

图1 32602运输巷过断层期间支护示意图

(5)巷道掘进每个循环应控制在1.5m以内，掘进完成后及时施工永久支护措施，巷道掘进时必须保证巷道顶板沿着超前锚杆支护形成的人工顶板掘进。

(6)相邻的两排超前锚杆间重叠1m，第二排超前与相邻的第一排超前锚杆相错布置，锚杆施工工艺相同，依次类推直至巷道顺利通过F27断层。

4 超前注浆

受断层影响，32602运输巷顶板破碎，为了确保巷道掘进安全，对破碎顶板进行注浆，从而提高顶板岩层整体稳定性。注浆采用的加固剂型号为瑞米一号，该种类型加固剂具有较好机械性能，黏结度高。加固剂可以在短时间内渗透到微小裂缝中，并膨胀黏结加固，最远渗透距离超过10m。在注浆时注浆泵提供的注浆压力控制在10～15MPa，具体注浆措施有以下几点。

(1)在掘进巷道距离掘进工作面1.2m处布置一排注浆钻孔，注浆钻孔采用型号为YT- 28凿岩机进行施工，钻孔孔径设计为42mm。

(2)在掘进工作面施工4个注浆钻孔，钻孔间距设计为1.3m。两侧两个注浆钻孔与煤壁间距均为350mm，所有的注浆钻孔均设计10°仰角，其中两侧注浆钻孔与巷帮夹角设计为60°，以便可以对巷帮与顶板相交处三角煤柱进行注浆加固。

(3)注浆钻孔施工完毕后，在钻孔内布置注浆管，设计的注浆管长度为4m，注浆管安装完毕后，在注浆口安装封孔器并连接外部注浆设备，具体的注浆设备如图2所示，主要包括有注浆泵、注浆管路、压力表、注浆控制阀门、注浆桶以及混合器等。

1、2—注浆桶；3、6、11、15—注浆管路；4—注浆泵；5—清水桶；7、8、10、12—控制阀门；9—混合器；13—压力表；14—接头；16—注浆孔

(4)注浆从中间注浆开始后进行最外侧两个注浆孔注浆，在钻孔注浆过程中若发现有大面积漏浆应立刻停止注浆，并采用封堵措施后方可继续。

5 效果分析

5.1 钻孔窥视

采用钻孔窥视仪顶板破碎岩层注浆效果进行窥视，具体注浆前后窥视结果如图3所示。注浆前钻孔孔壁不规整，孔壁周边发育有各种类型的裂隙、空洞等，结构整体行差，注浆之后，钻孔孔壁较为平整，在孔壁周边有明显的白色注浆浆液，且浆液充填孔壁周边裂隙、空洞，注浆后钻孔钻进时粉尘产生量及耗水量均显著小于注浆前。这表明，通过对破碎岩层进行超前注浆，注浆浆液将破碎岩层连接成一个整体，显著提高了破碎岩体整体稳定性及承载能力。

图3 注浆前后窥视结果

5.2 围岩变形

在采用超前锚杆及超前注浆后，在巷道内布置测站，对掘进期间巷道围岩变形进行监测，具体结果如图4所示。在巷道掘进期间，随着时间推挤，巷道围岩变形呈现出先显著增加后逐渐趋稳趋势。围岩变形发生在巷道掘进支护后10d时间内，10d巷道围岩变形量逐渐趋于稳定，最终巷道顶板下沉量稳定在93mm，巷道变形量稳定在252mm。巷道围岩处于稳定状态，围岩变形量与正常岩层掘进期间接近，巷道掘进过断层采区的支护措施切实可行。

图4 掘进期间巷道围岩变形监测结果

6 结论

32602运输巷掘进遇到F27断层，受断层影响，巷道掘进区域围岩破碎。在巷道采用永久支护措施前提下，对断层影响范围内的破碎岩层采用超前锚杆+超前注浆方式，对破碎围岩进行控制，现场应用实践也表明，采用超前锚杆支护后，巷道在超前锚杆支护下掘进，从而避免了顶板破碎岩层影响，提高了掘进工作面安全性；通过在巷道破碎岩层中注加固剂(瑞米一号)实现对破碎岩层粘结加固作用，提高破碎岩层的整日稳定性及承载能力，避免在巷道掘进过程中顶板破碎岩体出现冒落可能。