斜巷穿过极复杂地质构造带综合施工技术

2021-01-14刘光毅

能源与环保 2021年1期

刘光毅

(平煤神马建工集团有限公司建井三处，河南平顶山 467000)

随着煤炭开采水平的逐步延深，目前平顶山矿区已进入深部开采阶段，各种地质灾害因素风险性增加，水害、煤与瓦斯和顶板的综合管理成为新一阶段所要面临的安全问题，采取一种综合施工与联合支护方案解决以上问题尤为重要。国内外专家在复杂地质构造带条件下巷道的安全、快速施工方面也做了很多研究，分别提出了复合型全封闭支护技术[1]、锚喷注联合支护技术[2]、以高阻可缩性U型钢和高强度锚索为主的棚索协调支护技术[3]、U型钢壁后注浆[4]、锚架充支护技术[5]、软岩巷道锚注耦合技术[6]等，并已应用于工程实践，均较好地控制了围岩的稳定性。平煤股份二矿-700 m高位瓦斯巷埋深达800～1 000 m，受张家逆断层和竹园逆断层共同作用，需要按-10°坡度斜穿复杂地质构造带，原设计支护形式为锚网喷+锚索，已经不足以应对围岩压力[7]。经过要素分析，工作面面临的技术难题主要有断层带跨度大、围岩极其破碎、冲击地压的影响、裂隙发育和煤与瓦斯突出等综合作用，如果单一采用某种联合支护方式，很难兼顾解决所有技术难题。经过对技术难题和一般应对措施的讨论和分析，制定出了预注、托顶、环掘、U钢与锚注联合支护的综合施工方案，安全快速完成了复杂地质构造带的施工，并通过十字位移法定期检测巷道的变形情况，结果符合要求，达到了预期目的。

1 工程概况

平煤股份二矿-700 m高位瓦斯巷设计全长为2 298 m，平巷段设计长度100 m，-10°斜巷设计长度446 m，剩余1 752 m为+3‰上山，巷道施工为直墙半圆拱形，净宽5 400 mm，净高4 100 mm，S净=19 m2，支护形式为锚网喷+锚索联合支护，该工程地面标高+150～+280 m，井下标高-669～-740 m，埋藏深度已达到800～1 000 m。其中，-10°斜巷段穿层施工期间需要穿过异常地质构造带，由于张家逆断层和竹园逆断层共同作用，巷道顶板的己组煤层被拉至巷道底板以下，异常地质构造带形态更复杂，影响范围更大。

2 技术方案的研究

根据巷道在穿过异常地质构造带时会遇到的技术问题和一般应对措施，分析符合工程实际的有效措施(表1)，按照有效措施与实际施工工艺相结合的方法制定出一套具有针对性的巷道综合支护技术[8]方案：采用超长管棚和预注浆相结合加固岩体[9]；管缝锚杆超前支护托顶后预留中心岩体，小循环环形扩刷掘进；采用U型钢与喷浆联合支护封闭岩体；锚杆、锚索深浅部联合壁后注浆[10]二次支护。

表1 有效措施分析Tab.1 Analysis of effective measures

3 技术方案的实施

3.1 超长管棚和预注浆相结合加固岩体

采用管棚注浆法固化巷道拱部轮廓线外3 m岩体，增强异常地质构造带围岩的整体性，封堵裂隙水，加固巷道围岩。超前钻孔的施工还可以释放工作面前方围岩应力，避免出现冲击地压[11]。

(1)管棚注浆设计参数。管棚钻孔布置在距巷道顶板轮廓线以下0.5 m的弧线上，管棚长度10 m(管棚由φ50 mm×6 000 mm无缝钢管加工制作，在地面事先把2根无缝钢管合为1组进行如下加工[12]：第1根一端攻丝以便与第2根钢管之间用直箍联接，另一端用5 mm铁板把管口焊死堵严，钢管管体用气割方法均匀布置20个φ18 mm出浆孔；第2根一端攻丝以便与第1根钢管之间用直箍连接，另一端用厚5 mm铁板把管口焊死堵严，铁板上焊25 mm和20 mm接头，分别作为进浆孔和出气孔)，仰角2°，共布置13根，控制巷道轮廓线外3 m内煤岩体(扩散半径按1.5 m控制)，孔深12 m。为保证施工安全，每一轮管棚注浆完成后，预留不小于1 m管棚注浆超前距与下次注浆搭接(图1)。注浆压力为2.5～3.0 MPa，水泥浆液水灰比(质量比)为1∶(0.8～1.0)，水泥浆液与水玻璃浆液的体积比为1∶0.4(当注浆时不升压，出现串孔、跑漏浆情况时，采用双液浆进行封堵)。管棚注浆根据实际地质情况逐轮增加，直到注浆至岩石稳定。

图1 管棚注浆钻孔剖面布置Fig.1 Section layout of pipe roof grouting borehole

(2)施工工艺。按照设计位置和深度进行布孔后凿孔；成孔后及时安装注浆管，并用水泥锚固剂固定；注浆管安装完毕后，先安球型阀，再安装四通及卸压阀，最后连接高压注浆管，注浆管应与四通或球阀用铁丝连接，防止脱扣伤人；将管路连接好以后，开泵注压清水，测定巷道壁的受注能力，检查巷壁是否有漏水现象，如有漏水现象，在注浆前进行处理；根据压力实验情况进行浆液配比，达到设计注浆压力和加固的效果，即可停止注浆。

(3)注意事项。在注浆过程中出现跑、漏浆情况，可采取糊、停、点注等方法处理，以减少浆液损失，达到注浆预期目的；注浆前，要认真检查注浆机具，保证注浆泵、混合器、孔口位置、管路及压力表运转正常，使用可靠；注浆期间，司泵工要不断检查注浆设备及管路的完好情况，保证注浆工作顺利进行；注浆前浆液要充分搅拌，进浆过程中要随时观察压力表和孔口周围，当注浆压力达到设计终压或巷壁出现异常时，立即停泵关阀或打开卸浆阀；因故障等原因不能连续注浆作业时，要用清水对注浆泵和注浆管路反复冲洗，防止浆液凝固，堵塞管路。

3.2 超前支护托顶、小循环环形扩刷掘进

工作面预注浆后顶板围岩整体性得到改善，然后沿巷道轮廓线拱基线以上拱部内100 mm位置打1排φ40 mm×2 400 mm管缝式锚杆，间排距300 mm×500 mm，外扎10°，形成一个管棚支护区，对前方预掘巷道顶板进行超前临时支护，在临时支护下进行岩体扩刷和36U型钢支护，增加了安全施工可靠性。

在工作面中心位置底板以上1.7 m、左右各1.0 m的范围内预留不小于5 m长的中心岩体不破坏，然后由上向下扩刷中心岩体以外至巷道轮廓线的岩石，风镐掘进或放震动炮掘进，每循环掘进不大于0.5 m，形成环形工作面(图2)。中心岩体可以维持工作面前方围岩稳定，并为架棚子提供了作业平台，在接近煤层时也降低了煤与瓦斯突出的风险。中心岩体长度大于7 m后(以不影响耙斗机出渣为上限)即可在扩刷环形工作面的同时在中心岩体施工炮眼，放小炮掘进中心岩体，中心岩体每循环掘进不大于1 m。

3.3 U型钢与喷浆联合支护封闭岩体

根据巷道使用条件，缩小巷道断面，变更为U型钢+背板背网支护断面。架设36U型钢支架支护[13]，棚距0.5 m，U型钢卡缆必须连接紧固，棚后刹紧背实，背板采用60 mm×40 mm×700 mm木板，间距500 mm，背网采用φ4 mm、网格60 mm×60 mm冷拔丝网，每道U型钢卡缆连接处必须设拉杆与相邻U钢连接紧固，每个支腿用2根等强锚杆配合槽钢锁腿，增强U型钢的支撑能力。对工作面5 m后的金支巷道全断面喷浆封闭，喷射混凝土强度C20，厚度200 mm，分2次喷成巷，首次喷射混凝土厚度100 mm，主要是封闭围岩，防止注浆时浆液流出；第2次喷射混凝土厚度100 mm，主要是与U型钢联合作用形成封闭的整体，增加抵抗能力，减少岩石风化。

图2 环形扩刷掘进断面Fig.2 Circular expanding brush driving section

3.4 深浅部联合壁后注浆二次支护

对喷浆封闭的巷道采用注浆锚杆与注浆锚索联合壁后注浆二次支护(图3)，充分利用注浆和悬吊理论的特点，充填并加固了巷道两帮及顶部围岩。

图3 深浅部联合注浆断面布置Fig.3 Layout of deep and shallow joint grouting section

(1)注浆参数。深部注浆采用注浆锚索进行壁后注浆[14]，注浆锚索为φ22 mm×7.3 m，间排距2.5 m×2.5 m；浅部注浆采用注浆锚杆进行壁后注浆，注浆锚杆为φ25 mm×4 m，间排距1.0 m×0.5 m，深部和浅部注浆液均采用水泥浆单液。浆液配比：浅孔水灰质量比取1∶(0.6～0.8)，深孔水灰质量比取1∶(0.8～1.0)。注浆压力：浅孔注浆压力选择1.5～2.0 MPa，深孔注浆压力选择2.5～3.0 MPa，可根据现场情况和注浆效果做相应的调整。

(2)注浆工艺。在巷道周边按照设计位置进行均匀布孔，注浆孔浅孔间排距为1.0 m×0.5 m，深孔间排距为2.8 m×2.8 m，按设计深度凿孔，施工时按5排为一轮先施工一轮浅孔，按照要求进行注浆，然后再施工一轮浅孔，注浆完成后，再按2排为一轮施工一轮深孔并注浆，始终保持浅孔超前深孔一轮；根据注浆孔的深度安装已准备好的专用注浆锚杆或锚索，然后紧固并固定好注浆锚杆或锚索；注浆锚杆或锚索安装好后，安装球型阀，最后连接高压注浆管；按注浆管路要求，将管路连接好以后，开泵注清水，测定巷道壁的受注能力，检查巷壁是否有漏水现象，如有漏水，在注浆前进行处理；注浆时自下向上进行，先注巷道底角注浆孔，依次向上进行注浆；注浆时观察进浆情况，随时调整流量、浆液浓度，达到设计注浆压力和加固的效果，即可停止注浆。