掘进巷道过断层破碎带施工工艺研究

田晓强

（大同煤矿集团虎龙沟煤矿，山西 朔州 036000）

1 工程概述

虎龙沟煤矿21505巷位于井田东盘区北翼，巷道设计长度为1471m，断面规格为宽×高=5.2×3.5m。巷道掘进煤层为石炭系5#煤层，平均厚度为12m，煤层发育不稳定，矸石夹层较多，矸石总厚度达1.9m，其中位于煤层底板往上3.5m处含有一层黄斑岩，岩石厚度为1.5m，岩石硬度大，普氏系数f＞6.0。21505工作面从东盘区皮带巷开口沿5#煤层底板掘进施工，采用综合机械化掘进施工工艺。

根据地测科提供资料，21505巷在掘进期间共揭露3条正断层。F1断层位于巷道274m处，H=0.7m，∠50°；F2断层位于巷道578m处，H=0.4m，∠47°；F3断层位于巷道881m处，H=1.4m，∠55°。21505巷在掘进前期采用直接平推破岩法过F1、F2断层，但是由于黄斑岩硬度大，在破岩过程中经常出现机械设备损坏现象，其中掘进机切割部损坏2次，电机烧毁一次，造成经济损失达47万元。破岩难度大，严重影响巷道掘进效率，平均掘进速度仅为3.2m/d。同时巷道平均留底煤厚度达0.5m，降低了工作面回采率，加大了后期工作面回采期间采空区遗煤量，不利于采空区安全管理。

2 下山掘进施工工艺

为了降低接卸设备损坏率，减少采空区遗煤量，决定采用松动爆破下山掘进施工工艺过F3断层。

（1）为防止下山期间设备出现下滑现象以及便于煤矸石运输，21505巷下山掘进角度为5°，下山掘进距离为15m，掘进到位后揭露断层上盘岩石层，如图1所示。

（2）当巷道掘进至866m时，在掘进工作面迎头施工三排松动爆破孔，每排4个。第一排钻孔距顶板间距为0.5m，孔间距为1.2m，排距为1.0m，钻孔深度为1.0m，直径为42mm，钻孔以5°俯角布置。

（3）工作面松动爆破孔施工完后，从下排依次往上填装矿用乳化炸药、雷管以及水炮泥。每个炮孔填装一支乳化炸药，装药量为300g，雷管采用毫秒延期电雷管，炮孔封孔长度不得低于0.5m，一次允许爆破炮孔数量不得超过5个，采用正向装药方式及串联联线方式。

（4）第一茬爆破施工完后，采用风镐及洋镐进行扩帮、修规格，直至符合巷道设计断面规格后及时补打巷道顶板及帮支护，并清理巷道浮煤。第一个循环施工完后进行第二茬爆破施工，施工工序与前一循环工序相同。

（5）当巷道下山掘进15m后，施工巷道顶板揭露断层上盘黄斑岩下方煤柱，此时巷道沿岩层及煤层底板继续平行掘进。

图1 21505巷过F3断层松动爆破下山掘进剖面示意图

3 断层破碎带顶板维护措施

21505 巷下山掘进时需预留顶煤，预留顶煤最大厚度为1.4m，由于5#煤层稳定性差，在预留顶煤时会出现破碎、局部冒顶现象，为了保证巷道下山掘进施工安全，采取“注浆+施工交错密集JW型钢带+架棚”等联合支护措施。

3.1 注浆支护

（1）当巷道施工至875m时，对顶板施工一排注浆钻孔，每排三个，钻孔深度为3.0m，钻孔与顶板呈45°仰角布置。

（2）钻孔施工完后，采用高压注浆泵对钻孔内注射马丽散浆液（马丽散与催化剂配比为1∶1），注射压力不得低于1.5MPa，注浆期间发现顶板煤体有浆液渗出时停止注浆，注浆2h后方可继续掘进。

（3）当第一排钻孔注浆完且巷道掘进2h后，继续施工第二排注浆钻孔并进行注浆工序，依次类推直至巷道揭露断层上盘煤层。

3.2 施工交错密集“JW”型钢带

由于21505巷下山掘进前5m范围内顶煤厚度不足1.0m，注浆及锚杆支护效果差，很容易形成冒落区，为了加大钢带支护断面，决定采用施工交错密集“JW”型钢带。

（1）21505巷顶板施工的“JW”型钢带纵横交错布置，横向钢带（垂直巷道）长度为3.8m，宽度0.28m，每根钢带焊制5个直径为30mm圆孔。每根钢带配套5根长度为3.0m、直径为22mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间距为0.9m，钢带排距为1.0m。

（2）横向钢带施工完后，在顶板施工交错式纵向钢带，纵向钢带长度为2.5m，宽度为0.28m，每根钢带焊制3个直径为30mm圆孔。第一组纵向钢带施工在第一排、第二排、第三排横向钢带的第一个、第三根、第五根锚杆上，共计三根，且与横向钢带垂直布置，如图2所示。

（3）第二组钢带施工在第二排、第三排、第四排钢带的第二根、第四根锚杆上，共计两根，与第一组纵向钢带交错式布置，依次类推直至工作面完全过断层破碎带。

3.3 架设11#工字钢棚

为了进一步提高顶板稳定性，降低顶板应力作用影响，在下山巷道掘进完成后架设密集11#工字钢棚。

（1）21505巷架设的工字钢棚为矩形断面，断面规格为宽×高=4.0×3.5m，钢棚架设间距为1.0m，每架钢棚棚腿、顶梁与顶板施工一组固定锚杆，确保钢棚架设稳定性，所有钢棚连接卡缆必须预紧，预紧力不得低于200N·m。

（2）钢棚架设完后，在钢棚棚腿、顶梁与巷道轮廓间隙处填充水泥背板，水泥背板长度为1.2m，宽度为0.3m。在相邻两架钢棚间安装两组连接杆，进行联锁保护作用。

（3）每班施工前必须安排专人对每一架钢棚进行检查，发现钢棚倾倒、变形、松动等现象时必须重新架设。

图2 21505巷施工交错式密集“JW”型钢带平面示意图

4 效果

（1）21505巷过F3断层时采用松动爆破下山掘进施工工艺，减少岩石掘进量达148m3，避免了机械设备磨损，加快了巷道过断层掘进效率。21505巷过F3断层共计用时2.5d，平均掘进量达5.7m/d。下山掘进期间未出现机械设备损坏现象，节约设备维护、成本费用达30余万元。

（2）21505巷下山掘进阶段顶煤采取注浆支护后，提高了原破碎煤体稳定性，通过单轴抗压实验发现，注浆前破碎煤体单轴抗压强度仅为7.4MPa，注浆后提高至45.7MPa，大大提高了煤体承载能力。

（3）对破碎煤体施工交错式“JW”型钢带后，加大了顶板钢带支护断面，提高了钢带支护效果，有效防止了顶板出现破碎、局部冒顶现象。同时采用架设密集工字钢棚的方法减少顶板受应力作用影响，保证了顶板完整性，防止了顶板在应力作用下发生离层现象。断层带附近顶板施工完交错式钢带及密集工字钢棚后，在后期掘进期间未出现顶板大面积破碎现象，在866～876m范围内顶板最大下沉量仅为0.09m，在876～885m受断层应力作用下，顶板下沉量呈上升趋势，但最大下沉量仅为0.13m（位于880m处），顶板支护未出现失效现象，钢棚未出现变形等现象。