大断面斜井过破碎带支护技术研究

张 波

（山西煤炭运销集团掌石沟煤矿，山西 晋城048000）

煤矿斜井施工都要穿越表土层和基岩段。对于井筒支护，表土层段一般采用钢筋混凝土砌碹支护，基岩段一般采用锚网喷支护。当斜井施工过程中遇到破碎带时，围岩结构和力学性质发生改变，不仅降低了井筒的施工进度，也增加了井筒支护的难度。井筒在过破碎带期间，工作面围岩结构发生离层、变形，最后生发片帮、冒顶，仅采用传统的锚网喷支护已不能满足井筒永久工程支护的要求。因此，如何在破碎带采取合理且有效的支护型式是一项非常重要的工作。本文以山西煤炭运销集团掌石沟煤业主斜井井筒过破碎带施工为例，对斜井过破碎带期间井筒支护技术及施工组织进行阐述，为类似条件下大断面斜井施工提供一定的参考。

1 概况

山西煤炭运销集团掌石沟煤业有限公司为资源整合兼并重组煤矿。该矿为低瓦斯矿井，水文地质类型划分为中等，于2011年开工建设。井田面积为5.480 2 km2，矿井可采储量为24.32 Mt，主采9号煤和15号煤。矿井设计生产能力为90 Mt/a，开拓方式为斜井单水平开拓，新建主斜井和副斜井用于运煤、运料、行人和进风，原主立井用作回风井。

掌石沟煤煤矿主斜井设计长度504 m，倾角16°，主斜井半圆拱断面，净宽5.0 m，净高3.9 m，净断面16.81 m2，表土层段采用C30混凝土砌碹支护。基岩段采用C20混凝土锚喷半圆拱支护，巷道主要采用机械化掘进施工工艺，截止目前巷道已掘进60 m；由于巷道在开口前210 m范围内巷道顶板围岩主要为黄沙土段，围岩强度较低，胶结水平差，变形量大，变形持续时间长，在前期掘进过程中顶板破碎严重，巷道成效率差，形成围岩破碎区，破碎带长度达80 m。

受围岩破碎影响，机械化掘进时巷道掘进量控制难度大，造成空顶距加大，支护不及时，而且原支护工艺不能有效对破碎区围岩进行控制，通过技术研究，为了加快破碎区巷道掘进速度，决定采用全断面光面爆破施工工艺，以及围岩联合支护技术[1]。

2 破碎区域巷道掘进施工方案

2.1 巷道掘进工艺

为了保证巷道安全快速过破碎带，决定采用光面爆破施工工艺，具体施工工序如下：

1）爆破孔采用YT-28型凿岩机配Φ22 mm六角中空钢钎及Φ43 mm“一”字型合金钻头打眼；主斜井破碎段全断面共计布置97个光面爆破孔，其中掏槽孔7个（1—7号），孔深为2.2 m，辅助孔41个（8—48号），孔深为2.0 m，周边孔49个（49—97号），孔深为2.0 m，如下页图1所示，炮孔成拱形布置。

2）所有炮孔施工完后，依次对炮孔内填装煤矿许用水胶炸药以及毫秒延期电雷管，其中掏槽孔单孔装药量为1.0 kg，其它炮孔单孔装药量为0.7 kg，爆破循环进尺1.8 m，炮眼利用率85%，正规循环率85%[2]。

2.2 装矸运输方式

主斜井爆破掘进后采用P-60（B）型耙岩机配合6 m3箕斗进行装矸；提升采用单钩提升系统，即主提升机为JK-2.5/30型提升机配合6 m3前倾式箕斗提矸、下料。提升出井的矸石利用6 m3箕斗的翻矸装置，把矸石卸载至储矸仓内，用汽车在储矸仓下部接矸，并运至指定地点进行排矸。

3 破碎区巷道围岩支护技术

为了保证巷道安全快速过破碎区，决定对破碎区采取“管式前探超前临时支护+架设U29型钢棚+二次喷砼”联合支护设计[3]。

图1 主斜井破碎带区全断面光面爆破炮眼布置平剖面示意图（mm）

3.1 管式前探超前临时支护

1）超前支护结构：超前支护体主要采用直径为30 mm无缝钢管制成的穿管式前探梁，长度为5.0 m，每排超前支护共计9根穿管式前探梁组成。

2）施工工艺：巷道第一循环爆破施工且支护完成后，采用手持式在工作面拱形顶板处施工一排超前支护钻孔，孔深为5.0 m，直径为32 mm，钻孔垂直煤壁布置；超前支护钻孔施工完成后，依次对钻孔内安装超前支护，安装时9根前探梁以巷道中心线为中心对称布置，中间一根，两侧各四根；管式前探超前临时支护巷道继续进行下一循环作业，在爆破钻孔施工时顶板钻孔与超前支护布置间距为0.4 m[4]。

3.2 U29型钢棚支护

1）每架U29型钢棚支护主要由两节棚腿、两个底座、三节弧形顶梁以及拉杆、卡缆等部分组成，如图2所示；钢棚架设间距为0.8 m，钢棚撑拉杆采用金属钢板制作，规格为长650 mm、宽50 mm、厚5 mm，每架棚撑拉杆不少于5道。

2）钢棚支护顺序：底座→棚腿→顶梁→安装拉杆；所有钢棚支设完成后，在钢棚与围岩间隙处安装规格为长1 000 mm、宽100 mm、厚80 mm砼背板，背板间距为300 mm。

3）工作面架棚支护时，将要支设的顶梁和钢筋网放置在前探梁上方，然后将前探梁移至工作面空顶区域。前探梁上方被支设的棚梁和钢筋网按规定的棚距固定好并接顶严实，然后在前探梁下方进行出矸和支护棚腿等方面的作业。网片为Φ6 mm的钢筋焊接网，长2.4 m、宽1.3 m，网孔规格为100 mm×100 mm，网与网搭接长度100 mm，联网间距100 mm，采用双股14号铁丝进行联接。

图2 主斜井破碎区联合支护断面示意图

3.3 喷浆施工

所有钢棚架设完成后对破碎区进行喷浆施工，从而对破碎区围岩进行封堵处理[5]。

1）喷浆料采用水泥、沙子、石子原料混合的混凝土浆液，原料质量配比为1∶2∶2，混凝土料在地面进行集中搅拌制作，利用斜井提升系统将混凝土料运至工作面，采用GSP-D湿式混凝土喷浆泵进行喷浆施工。

2）喷浆前按设计规格尺寸放好边线，由外向里，先墙后拱进行喷浆，初喷厚度为50~70 mm，待耙岩机前移后复喷至设计厚度200 mm。

4 结论

截止2019年11月主斜井已完全过破碎区，通过对破碎区采取“管式前探超前临时支护+架设U29型钢棚+二次喷砼”联合支护后，巷道未出现破碎、垮落现象，掘进速度提高至3.6 m/d，取得了显著应用成效：

1）对破碎区顶板及时采取管式前探超前临时支护后，可有效对工作面前方应力区围岩进行超前支护，避免了在应力以及爆破震动作用下，工作面前方煤岩体出现超前破碎、垮落现象，提高了应力区顶板连续稳定性。

2）U29型钢棚属于被动支护，当应力区围岩出现变形、下沉时钢棚对围岩产生一个方向支撑作用，阻止和控制围岩变形现象，从而防止了裂隙围岩扩张破坏作用，提高了围岩锚注支护效果。

3）通过对应力区围岩采取喷浆施工后，可有效对破碎围岩外表裂隙带进行填充、封堵，防止了应力在裂隙带出现进行卸压施工，导致岩体产生卸压扩张破坏作用。