高河能源W4307辅运巷过断层施工技术研究

2022-10-09赵晋泽

煤 2022年10期

赵晋泽

(山西高河能源有限公司，山西长治 047100)

断层是矿井生产过程中常遇的一种地质构造，由于断层上下盘间相互挤压错动，导致断层带附近围岩破碎不连续，承载性较差[1-3]。巷道掘进遭遇断层时，需根据断层赋存情况选择合理的掘进工艺及支护方案，以保证巷道安全高效地通过断层[4-5]。本文以高河能源W4307辅运巷过Fw159逆断层为工程背景，展开巷道过断层施工技术研究，保证掘进面的安全生产。

1 工程背景

1.1 工作面概况

高河能源W4307工作面主采3号煤层。3号煤层位于山西组下部，平均埋深为500 m，平均煤厚6.6 m，煤层倾角1～5°，煤层结构简单，含泥岩及炭质泥岩夹矸0～5层，一般1～2层。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为泥岩、细粒砂岩，具体顶底板结构如表1所示。

表1 煤层顶底板结构

1.2 断层构造情况

W4307辅运巷主要担负工作面的运输及进风任务，W4307进、回风巷在掘进时揭露了Fw159断层，由于断层带应力集中，围岩破碎，导致进、回风巷过断层时维护困难。为保证W4307辅运巷安全、顺利通过断层，需提前探明辅运巷前方Fw159断层的产状及位置，为巷道支护及施工措施提供依据。

在W4307辅运巷里程1 981 m及里程2 031 m处布置探查钻孔，根据探查孔得出，Fw159断层预计在W4307辅运巷2 077 m处揭露，该断层为断层倾角∠51°的逆断层，落差为4 m，断层走向为N22°W，与巷道设计方位呈70°夹角。根据断层倾角、落差分析，预计断层影响区域为揭露断层前2 m，揭露断层后8 m，同时根据现场揭露情况及时收集数据，确保过断层期间的施工安全。Fw159断层与巷道位置关系如图1所示。

图1 Fw159断层与巷道位置关系图

1.3 水文地质情况

根据瞬变电磁勘探及W4307进风巷实际揭露情况分析，该区域内无富水区，水文条件较为稳定。该断层无富水、无导水性。顶板受砂岩含水层影响，预计掘进工作面掘进期间顶板有少量淋水、滴水现象，正常涌水量为5 m3/h，最大涌水量为30 m3/h.

2 巷道过断层施工工艺

2.1 掘进工艺

过断层施工全长22.5 m，掘进期间需破底板岩石，破底岩厚度变化为由薄变厚，由厚变薄，预计破岩最大厚度为2.1 m.W4307辅运巷沿煤层底板掘进，迎头位于断层下盘，距揭露断层17 m时，以8°下山留底煤掘进找到上盘煤层底板后，巷道沿煤层底板继续施工。巷道掘进方案如图2所示。

图2 巷道掘进方案

岩石硬度较小时(f≤6)，采用掘进机截割；岩石硬度较大时(f>6)，采用放震动炮配合掘进机进行破岩。下部岩石部分采用震动炮法掘进，上部煤体部分采用掘进机配合人工掘进，过断层施工时，先施工上部煤，后施工下部岩。

巷道掘进过程中，当上部煤厚≥2.4 m时，先施工上部煤，上部永久支护完毕后，对下部岩石放震动炮，循环进尺为1 000 mm；当上部煤厚<2.4 m时，先对下部岩石放震动炮松动岩石，然后再用掘进机割上部煤到巷道设计尺寸，循环进尺1 000 mm.

下半部分岩石放震动炮时：炮眼深度为1 200 mm，每排布置13个炮眼，间排距400 mm×400 mm，随着破岩石厚度每增加400 mm，增加1排炮眼，每孔装药量为0.4 kg，采用YT28型风钻湿式打眼，乳化炸药及毫秒延期电雷管、电容起爆器。严格爆破作业，执行爆破安全技术措施相关内容。下部岩石放炮时，确保上一循环迎头顶、帮永久支护到位。以最大破岩厚度2.1 m为例，其炮孔布置方案如图3所示。

图3 炮孔布置方案(mm)

2.2 围岩支护方案

1) 锚网索+梯子梁支护。为保证巷道过断层时围岩的稳定性，采用“锚网索+梯子梁”的支护形式，将巷道原支护方案中的锚杆排距由1 000 mm缩小为600 mm.

其中，顶板锚杆为D22 mm×2 400 mm的左旋无纵肋高强螺纹钢锚杆，间距为800 mm，排距为600 mm，每排布置6根，靠近两帮的顶锚杆与垂线呈20°夹角向外侧施工；顶锚索采用D22 mm×8 300 mm的钢绞线，间距1 400 mm，排距600 mm，每排布置3根，两边锚索距巷道帮部1 250 mm，并通过双筋梯子梁有效连接锚索，梯子梁长度5 000 mm，最后加挂金属网进行护表支护。

采煤侧巷帮采用“锚杆+单筋梯子梁”支护，锚杆间排距1 000 mm×600 mm，每排4根，最下排锚杆下斜10°施工，最上排锚杆上斜20°施工，采用2根长度分别为2 200 mm和1 200 mm的单筋梯子梁连接，并加挂塑钢网；煤柱侧巷帮锚杆间排距为800 mm×600 mm，每排5根，布置形式与采煤侧相同，采用2根长度均为1 800 mm的单筋梯子梁连接，并加挂金属网。

为保证支护强度，锚杆(索)锚固时，应保证锚杆预紧力矩不小于350 N·m，锚固力不小于190 kN，锚索张拉力须达到260 kN.具体支护方案如图4所示。

图4 巷道支护方案(mm)

2) 架棚支护。由于断层影响区域应力复杂，局部区域存在应力集中或者卸压现象，为保证顺利通过，需在断层面影响区域前后共15 m范围内进行架棚支护。架棚滞后迎头不得超过5 m，棚间距为600 mm.梯形棚采用11号矿用工字钢制作，棚梁长度为4 700 mm，棚腿长3 750 mm，棚梁与棚腿夹角为99°，棚腿与帮之间、顶梁与顶板间隙用刹杆、道木、半圆木背实，棚间采用U型卡及铁拉杆相连，顶、帮各两道，顶部角铁拉杆距梁头1 000 mm，帮部角铁拉杆分距底1 200 mm、2 400 mm，棚腿下垫200 mm×200 mm×50 mm木鞋板；每5架棚间采用4根4.2 m长钢梁串梁连接，顶部两道，两帮帮部各一道，顶部串梁距梁头1 200 mm，帮部串梁距底1 800 mm.棚架好后，棚腿底部采用C30混凝土浇筑，浇筑宽度300 mm，高度150 mm，浇筑采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，砼配合比为水∶水泥∶沙∶石子=0.38∶1∶1.11∶2.72.具体架棚支护方案如图5、图6所示。

图5 架棚支护方案

图6 工字钢梁加工图

3 支护效果分析

为观测分析支护方案对W4307辅运巷过断层时围岩的控制效果，在巷道内布置监测点，采用“十字布点法”监测过断层期间围岩表面的位移量，监测持续48 d，每3 d统计1次数据。监测结果如图7所示。

由图7可知，在补强支护的控制下，W4307辅运巷过断层影响区时，顶板的变形量相对高于两帮变形量，围岩在监测10 d内的变形速度最快，变形量大幅增加，并于18 d后逐渐趋于稳定，其中顶板的最大下沉量为88.9 mm，两帮的最大移近量为67.2 mm，围岩整体变形量较小，满足安全生产需求，验证了围岩支护方案的合理性和适用性。