巷道过断层群区施工工艺及支护技术

牛伟旗

（长春兴煤业有限公司，山西 大同 037101）

掘进围岩受断层牵引力影响两盘附近岩体出现破碎、断裂、裂隙发育等现象，巷道在过断层时不仅掘进效率低、支护难度大，而且很容易出现顶板冒漏、两帮垮落等事故，制约着巷道安全快速掘进。巷道掘进期间，传统主要采用机械化掘进及锚杆（索）支护，在大断层或多断层区采用机械化掘进时，巷道掘进进度控制难度大且受机械扰动影响大，巷道掘进后成型效果差且围岩垮落严重。传统锚杆（索）主要利用端头锚固方式固定在围岩中，对杆体施加预应力达到支护梁（拱）的作用，但是对于断层区围岩内部裂隙发育，单一的锚杆（索）支护时锚固效果差，在施加预应力时支护失效严重，达不到预期支护效果。本文以长春兴煤矿603 运输顺槽为研究背景，对巷道掘进过断层群期间施工工艺及支护技术进行合理优化[1-5]。

1 概述

603 回风顺槽设计长度为2600 m，巷道沿井田南盘区东西走向布置，巷道掘进煤层为22#煤层，平均厚度为9.5 m，倾角为2°，煤层硬度为2～3，可采指数为1，变异系数为11.57%，煤的容重为1.4 t/m3，煤层结构复杂，含夹矸3～4 层。煤层顶底板岩性见表1。

表1 603 回风顺槽掘进的22#煤层顶底板岩性表

603 回风顺槽设计为矩形断面，掘进宽度为4.2 m，高度为4.0 m，采用EBZ260 型掘进机掘进。巷道掘进至670 m 处进入F2-F6 断层群区，共计长度为54 m，揭露5 条断层，全部为正断层，平均断距为1.2 m，倾角为52°。受断层集中应力影响，巷道进入断层群区后围岩失稳现象严重，巷道掘进至682 m 处时顶板中部出现局部冒漏，两帮及顶底板之间移近量最大达0.5 m，巷道断面收缩量达17%，巷道掘进速度降低至1.5 m/d。

2 断层群区施工工艺优化

巷道过断层群区采用掘进机掘进时，无法实现分层掘进，在掘进过程中很容易出现围岩垮落现象，所以决定采用分层爆破施工工艺。

1）在巷道迎头施工管棚支护后，布置分层爆破孔，分上下两个分层，上分层布置松动爆破孔，下分层布置光面爆破孔。

2）上分层断面宽×高=4.2 m×1.5 m，上分层断面布置2 排松动爆破钻孔，钻孔垂直煤壁布置，深度为1.0 m，直径为35 mm，每排5 个。第一排布置在管棚支护体下方0.3 m 处，第二排与第一排布置排距为1.0 m，孔间距为0.8 m。

3）下分层断面宽×高=4.2 m×2.5 m，下分层共计布置28 个炮孔，其中掏槽孔4 个，深度为1.8 m，辅助孔8个，深度为1.6 m，周边孔16个，深度为1.6 m。

4）上分层松动爆破孔装药量为0.3 kg/孔，水炮泥封孔长度为0.5 m；下分层掏槽孔装药量为0.9 kg/孔，其他钻孔装药量为0.6 kg/孔，水炮泥封孔长度不低于0.5 m。所有炮孔内填装一支毫秒延期电雷管，采用正向装药方式，雷管采用串联连接方式。

5）采用先下分层后上分层的顺序依次装药、爆破。下分层爆破后及时清理煤矸，使上断面具有足够爆破震动自落空间。上分层松动爆破时每次爆破炮孔数量不得超过3 个。

6）一个断面爆破施工后，利用风镐人工对巷道轮廓欠挖部分进行修理，巷道单茬掘进深度为0.8 m，爆破掘进后及时对顶板施工锚杆（索）永久支护。

3 断层群区顶板联合支护技术

3.1 超前帷幕注浆

为了提高断层区围岩整体稳定性，实现破碎围岩胶结、重组的目的，决定对断层群区围岩采取超前帷幕注浆施工。

1）巷道迎头每排布置8 个帷幕注浆孔，其中顶板4 个，两帮各2 个。所有钻孔深度为6.0 m，直径为45 mm。其中顶钻孔布置在距顶板0.5 m 煤壁上，钻孔布置仰角为15°，钻孔间距为1.0 m；帮注浆钻孔布置间距为1.0 m，第一个钻孔与顶板间距为0.5 m，钻孔向帮侧偏角为5°。

2）帷幕注浆钻孔施工完后对钻孔内进行注浆，注浆材料选用水泥-水玻璃双液浆为主，采用矿用高强度硅酸盐水泥，水玻璃浓度为40° Bé，水泥浆与水玻璃浓度比为1:0.8。为了提高浆液凝固速度，以食盐、三乙醇胺作为外添加剂起到速凝作用。

3.2 超前管棚支护

为了防止爆破掘进时受震动以及应力等作用造成围岩超前破碎垮落，巷道帷幕注浆后对迎头施工超前管棚支护。

1）管棚支护体采用长度为5.0 m、直径为42 mm 无缝中空钢管，管壁厚度为4 mm，每排布置10 根，布置间距为0.4 m。管棚支护体施工在顶板往下0.2 m 处并垂直迎头煤壁布置，相邻两排管棚搭接长度为1.0 m。

2）管棚支护体外露长度控制在0.3～0.5 m 范围内，巷道掘进后通过钢带、锚杆（索）将其固定在顶板上。管棚支护在支护时利用杆体为承载机构与煤柱之间形成连续稳定的梁效应，起到超前支护的目的。

3.3 架棚、喷浆支护

1）603 运输顺槽进入断层群区后，开始架设密集U29 型工字钢棚，钢棚为矩形断面，每架钢棚由2 根U29 型棚腿、1 根工字钢顶梁、3 组连接杆、卡缆若干等部分组成，如图1。

2）钢棚安装间距为1.0 m，棚腿脚采用螺纹钢锚杆与帮部固定，棚腿上端焊接1 块“U”型槽，工字钢顶梁卡在“U”型槽上。每架钢棚顶梁上布置3 个槽口，钢棚安装后在相邻三架钢棚之间安装3 根长度为2.0 m 槽钢，槽钢安装在槽口内起到防倒、防倾斜作用。

3）架棚支护后对架棚区顶板及帮部高压喷射混凝土覆盖，分为初喷和复喷，初喷厚度为50 mm，复喷后厚度达到150 mm，喷浆时采用分段、分片由下而上的顺序进行喷射。混凝土中各料（水泥、砂子、石子、速凝剂）用量配比必须符合设计要求。

4 实际应用效果

1）提高了巷道掘进速度

603 运输顺槽过断层群区采用分层爆破施工工艺后，下分层光面爆破为上分层提供自落空间，避免机械全断面掘进时割煤量大、顶板扰动破坏严重现象。通过现场观察，每爆破一茬进度为0.9 m，用时为2.5 h，巷道掘进速度可提高至5.4 m/d。

2）提高了围岩稳定性

603 运输顺槽掘进至740 m 处，巷道已过断层群区，在670～720 m 范围内布置1 个测站，测站顶板安装1 台YH-300 型数字显示离层仪，帮部安装红外位移监测仪，通过20 d 现场监测发现：

① 断层群区巷道掘进后0～6 d 内顶板塑性变形严重，顶板下沉量为120 mm；在6～12 d 内，联合支护逐渐起到耦合支护作用，顶板下沉量为170 mm；在12 d 后顶板趋于稳定，如图2。期间未出现顶板锚杆（索）破断、失效等现象，在第7 d 巷道内架设的钢棚受力加大，局部钢棚顶梁出现弯曲，但未出现断裂变形。

图2 支护优化后断层群区围岩变形曲线图

② 通过帮部红外位移监测仪监测发现，在0～5 d 内两帮收缩现象严重，收缩量达210 mm，在5～11 d 内帮部收缩量逐渐减小，11 d 后两帮移近量趋于稳定，最大移近量为260 mm。

5 结语

603 运输顺槽过断层群区施工工艺及支护技术优化后，提高了巷道掘进速度，由原来的1.5 m/d提高至5.4 m/d，有效控制了断层群区围岩变形、破碎、下沉现象，巷道成型效果好，巷道变形率由支护优化前的17%降低至5%以下。实际应用效果表明，优化后的施工工艺及支护技术能够适用于大变形、高应力以及特殊区域巷道掘进中，取得了显著应用成效。