掘进巷道快速过断层施工技术应用

靳勇强

（山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司，山西 晋城 048100）

1 概述

山西煤炭运销集团阳城四侯煤业有限公司3108回风顺槽位于井田一采区，施工巷道东侧为3103采空区，西侧为3105 采空区，北侧为矿井边界保护煤柱，南为一采区三条大巷。

3108 回风顺槽从一采区轨道巷开口施工，巷道施工设计长度为650m，巷道为矩形断面，断面规格为宽×高=4.2×4.0m。巷道掘进煤层为3#煤层，平均厚度为3.7m，施工巷道沿煤层顶板平行掘进。3#煤层存在伪顶，主要以炭质泥岩、灰色泥岩混合岩层为主，平均厚度为0.3m；直接顶主要以粉砂岩、泥岩混合岩为主，平均厚度为3.95m；基本顶主要以细砂岩为主，平均厚度为7.66m。具体岩性特性如表1 所示。

表1 3#煤层顶底板岩性表

3108 回风顺槽地质构造复杂，巷道掘进期间共计揭露7 条断层，其中巷道在370m 处揭露一条F3 正断层，断层走向南北，倾向292°，倾角约65°，落差2.0m，该断层对巷道掘进影响较大。

2 俯斜台阶法松动爆破施工工艺

由于F3 正断层采用掘进机直接破岩法过断层时，破岩量大，巷道留底煤多，机械设备损坏严重，不利于巷道安全快速掘进施工，研究决定采用俯斜松动爆破施工工艺过断层破碎带。

（1）传统俯斜法施工工艺主要在设计位置顶底板按设计角度进行下山掘进，进行留顶破底施工，但是当预留顶板煤层或不稳定岩层时，由于顶板三角区煤岩柱厚度小，胶结不稳定，很难预留，对三角区煤岩柱维护难度大，不利于巷道俯斜施工安全，决定采用台阶法俯斜施工。

（2）巷道掘进345m 处时，施工巷道底板以4°斜角下山掘进，顶板保持不变；当巷道掘进至355m 处时，施工巷道底板下卧深度为0.7m，并及时对巷道围岩进行补打支护。

（3）顶板处永久支护施工完成后，在工作面施工俯斜爆破钻孔。共计施工4 排，排距为1.0m，每排8 个钻孔，孔间距为0.5m，钻孔深度为1.2m，俯角为5°。第一排钻孔施工在距顶板0.7m 处，单茬爆破进度控制在1.0m 范围内，巷道爆破后顶板预留台阶顶煤，台阶高度为0.7m。台阶顶煤预留后，巷道高度保持不变。

（4）巷道俯斜爆破掘进15m 后揭露F3 正断层上盘煤层顶板后，施工巷道水平爆破掘进，当掘进5.0m 后再继续采用掘进机进行掘进，如图1 所示。

图1 回风顺槽俯斜台阶法过F3 断层施工剖面示意图

3 断层破碎带顶板控制措施

3.1 化学材料注浆加固

为了加强施工巷道俯斜掘进时顶煤稳定性，防止顶煤破碎、冒落现象，提高顶板支护效果，决定对顶煤采取化学材料注浆加固。

（1）注浆材料。为了提高注浆材料在煤岩裂隙带内扩散范围，缩短注浆凝固时间，决定对F3断层破碎带处顶煤采取马浮因（MF-2 型）化学材料进行加固。该注浆材料主要由马浮因（MF-2 型）与固特珑（GN-4 型）以1:1 配比混合而成。该注浆材料具有粘稠度低、渗透能力强、凝固时间短等优点，最大裂隙渗透长度达3.0m，凝固时间在0.5～2.0h范围内。

（2）注浆钻孔施工。3108 回风顺槽掘进至355m 处时对巷道顶煤施工第一排注浆钻孔，钻孔深度为5.0m，钻孔施工在距顶板0.5m 处。每排施工3 个钻孔，钻孔间距为1.5m，相邻两排钻孔间距为2.0m，共计施工三排，其中第二排、第三排钻孔以5°俯角施工。

（3）注浆工序。采用QB6C 型气动高压双液注浆泵进行注浆施工，注浆压力控制在2.0～4.0MPa范围内，单孔注浆量不得低于300kg。同一排钻孔按由中部向两帮的注浆顺序，注浆1h 后巷道方可继续掘进。

3.2 锚索钢筋经纬网支护

由于传统金属网抗拉强度低，为了防止传统金属网在断层破碎带顶板支护时，受顶板蠕动变形影响，金属网出现变形、断裂现象，决定对断层破碎带处顶板铺设钢筋网并施工恒阻锚索。

（1）钢筋经纬网主要由直径为8mm 圆钢编制而成，网格规格为长×宽=0.1×0.1m，钢筋网长度为2.0m，宽度为1.2m。巷道每掘进1.0m，顶板铺设两片钢筋网。

（2）钢筋网采用JW 型钢带及恒阻锚索进行预紧，钢带长度为4.0m，每根钢带上焊制5 个直径为30mm 圆孔。恒阻锚索长度为5.0m，直径为21.6mm，每排布置5根锚索将钢带、钢筋网进行固定。

3.3 U29 梯形棚支护

受断层影响，断层附近顶板力学结构发生变化，集中应力在断层裂隙出现卸压现象，破坏了顶板承载梁结构，导致顶板稳定性降低，决定对断层处顶板采取架设钢棚进行加强支护。

（1）由于传统矩形钢棚受压强度低，易变形，对大应力顶板支护效果差，所以决定对F3 断层带处架设U29 梯形棚。钢棚主要由一根长度为4.0m、宽度为0.25m 工字钢梁以及两根U29 形棚腿组成，棚腿与顶梁之间采用U 型卡固定。

（2）当3108 回风顺槽掘进至360m 处开始架设U29 梯形棚，如图2 所示。钢棚架设间距为1.0m，共计架设20 架钢棚，钢棚棚腿与顶梁之间夹角为75°。钢棚架设完后相邻两架钢棚棚腿之间采用连接杆进行固定。

图2 回风顺槽过断层破碎带顶板联合支护平面示意图

（3）由于巷道在360～370m 段下山掘进，在该范围内架设钢棚时，必须对钢棚安装防倒设施。在355m 处安装一部小功率矿用绞车，并通过钢丝绳对钢棚进行预拉防倒。

4 实际应用效果观察分析

4.1 顶板下沉、离层观察方法

3108 回风顺槽掘进期间分别在350m（1#）、360m（2#）、370m（3#）以及380m（4#）处顶板安装一台型号为GUD500 矿用数显顶板离层仪。该型号离层仪测量范围为5～10m，共计有A、B 两个基点固定锚爪，在安装时将深部基点安装固定在8.0m 处顶板上覆岩层上，浅部基点安装固定在4.0m处岩层上，然后打开仪器显示器实时观测顶板离层情况。

4.2 顶板观察分析

截至2019 年4 月25 日3108 回风顺槽已掘进至420m，通过对350～380m 断层破碎带顶板进行30d 观察发现，在350～365m 以及374～380m 处顶板在前10d 范围内塑性变形相对严重，局部顶板出现弯曲变形，但未出现断裂、顶煤破碎、顶板离层现象；在10～30d 范围内，顶板趋于稳定，顶板最大下沉量为0.13m。在365～374m 范围内，由于断层破碎了顶板岩层连续稳定性，在前15d 范围内，顶板上覆岩层在1.7m、3.5m 出现局部离层现象，最大离层量为0.14m；在15～30d 范围内通过U29 梯形棚被动支护作用，离层现象得到有效控制，最大离层量控制在0.16m 以下，在此段范围内顶板最大下沉量控制在0.19m 以下。

由此可见，通过对F3 断层破碎带采取联合支护措施后，有效控制了破碎顶板下沉、离层现象，提高了巷道成型率，保证了巷道安全高效掘进，取得了显著应用成效。