煤矿复杂围岩条件下盾构机施工方法的研究与应用

沈阳

（淮北矿业（集团）有限责任公司工程处，安徽 淮北 235000）

0 引言

随着我国煤矿开采技术装备的不断发展，盾构机作为新型、高效掘进装备在煤矿领域的应用率不断提高。近年来盾构机在煤矿开拓工程施工中显示出的快速、高效的优势越来越明显，有效缓解了部分矿区采掘接替紧张问题。采用盾构施工工艺在我国地质条件较好的矿区取得了较好的效果，但淮北矿区井下地质条件复杂，巷道多为穿层施工，构造多、压力大并伴有淋水，巷道掘进顶板安全管理难度大。目前煤矿用盾构机多为敞开式，其结构存在局限性，刀盘向后至护盾段3 m左右巷道顶板无法及时进行支护，当围岩条件破碎时顶板易发生冒、漏事故，存在较大安全隐患，且漏冒顶处理时间长，施工效率很低，严重影响工程进度。淮北矿业首条盾构线经过在袁二矿七采区轨道大巷和轨道上山施工期间的摸索、实践，形成了一套过破碎围岩段巷道的施工方法。

1 工程概况

淮北矿业袁二矿七采区轨道大巷和上山盾构机施工工程量3 100 m（含19°上山1 000 m），巷道设计尺寸为直径4.88 m正圆形，支护形式为2次锚网索喷支护。巷道施工层位位于3煤层顶板至6煤层顶板，穿层施工，岩性主要以泥岩、粉砂岩为主，构造发育，断层多，施工范围内可探测断层超过20条，其中断层最大落差440 m，断层带围岩条件非常破碎，且伴有超过20 m3/h的涌水量，极易出现冒漏顶，施工过程中出现最大冒顶高度超过20 m。

2 施工方法

2.1 过破碎围岩区施工方法

当巷道过断层施工时，顶板围岩较破碎，盾构机刀盘推进后可能出现掉顶，工程处在施工过程中不断创新工艺、摸索方法，采取施工超前密集骨架护顶，利用骨架和注浆管进行深浅孔注浆固顶的施工方法施工见图1、图2。

1）利用盾构机第一施工平台携带的3200S钻机，施工超前岩性探查孔。

2）根据地质预报和岩性探查孔，判断是否存在顶板冒漏的隐患，是否需要施工超前骨架孔。

3）当迎头围岩岩性差，向前施工可能会在刀盘后3 m无支护区域出现冒漏顶时，采取打设超前骨架孔并注浆的施工方案，进行超前护顶，防止出现冒漏顶。超前骨架孔沿盾构机刀盘外400 mm布置，钻孔间距400 mm（间距可根据岩性调整）,角度2°～3°，深度15 m，钻孔水平布置宽度3 m，骨架钻杆外露端头用锚索托梁进行加固，提高骨架的承载能力。巷道过断层破碎带期间，每进尺10 m（压差5 m）施工一组密集骨架钻进行超前支护。骨架采用钻杆及注浆花管（φ73 mm）交替布置，每循环骨架孔施工后，利用注浆花管进行深孔注浆。

图1 盾构施工支护断面图

图2 超前深浅孔注浆示意图

4）在15 m长超前骨架孔的掩护下施工φ20 mm×4 500 mm长注浆管进行浅孔注浆补充加固，浅孔注浆管间距1.2 m,角度9°～15°，每排5根，布置在骨架孔下200 mm，每3 m施工一排浅孔注浆管，压茬1.5 m。

5）注浆材料采用尤安特无机双组份快速注浆料(以下简称尤安特)，深孔注浆时，尤安特凝固时间为1 h，浅孔注浆时，尤安特凝固时间为30 min，施工现场也可根据围岩状况，现场调整骨架孔及浅孔注浆施工参数，当迎头围岩极为破碎易漏顶时，缩小超前骨架间距，确保不出现漏顶。

6）在超前骨架和深浅孔注浆的掩护下，盾构机逐排施工向前推进，够一排锚杆间排距及时施工一排，确保永久支护紧跟迎头。

2.2 过极破碎围岩区施工方法

若断层倾斜角度较大、围岩极为破碎，且具有导水性时，盾构机刀盘推进后，顶板出现漏顶、冒顶，顶板冒漏的泥水混合物从盾构机刀盘间隙里大量涌出，掩埋盾构机，造成盾构机无法施工（见图3）。此时应停止盾构机刀盘搅动，采取超前注浆加固顶板，人工刷大短掘短支套棚支护的方法，将刀盘上方顶板支护住，再开动盾构机推进施工下部，向前推进。

图3 刀盘推进后顶板冒漏图

1）超前骨架施工。骨架沿盾构机护盾外缘布置，密集骨架采用φ75 mm钻孔进行施工，钻孔间距不大于300 mm,角度12°～20°，骨架长度必须能够深入硬岩不小于2 m，骨架孔压茬3 m施工，每茬骨架管外露部分用锚索梁（1梁3索）进行固定。锚索规格φ17.8 mm×10 000 mm，锚索梁采用11号工字钢加工，长度3 m,锚索间距1 000 mm。

2）浅孔注浆施工。骨架施工结束后，施工注浆管进行超前注浆。注浆材料采用矿用聚酯材料，注浆管型号φ20 mm，长度确保超过刀盘3 m（根据现场情况调整注浆管长度），注浆管沿护盾外缘布置，角度10°～20°，间距0.5～1.0 m，（间距、角度根据现场情况调整）迎头每进尺3.0 m进行一次注浆加固。

3）超前撞铁施工。套棚前施工超前撞铁，撞铁采用φ30 mm钢管加工，长度不小于2 000 mm，外露300 mm，间排距200 mm，角度5°～10°，沿巷道轮廓线布置，每套两棚施工一茬撞铁。若施工撞铁眼过程中，钎子无法拨出，则使用钎子代替撞铁作为超前支护，钎子长度不小于2 000 mm，见图4。

4）套棚施工。从盾构机护盾退后3棚档距进行套棚施工，前三棚按原巷道尺寸进行套棚，为留出人员施工空间，从第四棚（位于护盾上方，施工空间较小）开始向上抬高1 200 mm套棚，第四棚紧贴第三棚套设。第五棚开始按间距600 mm向前套棚，U型棚应优先考虑接到实顶、实帮，再保证成排上线，要确保U型棚套设有劲。

套棚过围岩破碎区时，锚索无法生根在稳定围岩或无法施工时，棚子固定采用11号工字钢配合道木和木楔对棚梁和棚腿进行固定，当棚腿垫实后，用混凝土将棚腿与巷帮喷实，确保U型棚牢固有劲，待盾构机向前施工后，再拆除加固工字钢。

图4 超前骨架掩护及浅孔注浆示意图

3 安全、技术保障措施

3.1 顶板、山墙管理

1）过围岩破碎带期间及时缩小循环进度，坚持短掘短支进行施工。盾构机截割后，立即进行敲帮问顶，必要时先喷浆封闭围岩。及时施工锚杆、锚索、挂网、喷浆成巷。

图5 架棚支护示意图

2）采用全螺纹锚杆+钢筋网对盾构机撑靴前后5 m范围内及一平台上300 mm（巷道起拱位置）处进行防护处理，防止人员施工帮部锚杆时出现折帮，在施工过程中出现矸石掉落时要随时紧固全螺纹锚杆，始终保证托盘紧贴岩面。

3）采取超前骨架深浅孔注浆支护后，局部顶板任出现超挖时，需采用带帽点柱配合金属网临时护顶，带帽点柱打设一排，间排距1.0～1.5 m，帽沿距端面不大于300 mm。

4）盾构机刀盘截割轮廓线以外因顶板超挖增加的山墙，每循环施工前应在顶板超前支护的保护下进行封山临时支护，并及时进行永久支护。

5）人工刷大架棚施工。顶板采用4根前探梁作为临时支护，前探梁由11号工字钢加工、长度4.5 m，间距1 500 mm。期初架设的3架U型棚前探梁利用锚杆配合卡缆进行固定。人工向前刷大过程中，若顶板、肩窝出现漏、掉情况，及时停止施工进行喷浆封闭并进行浅孔注浆加固，当顶板、肩窝不出现漏、掉情况时，再继续人工刷大，见图5。

3.2 注浆管理

1）超前骨架孔要按设计参数施工，确保超前保护距离、高度、宽度符合要求。

2）超前注浆花管孔，施工好后要立即装入套管，防止塌孔。下套管前清理套管丝头，防止煤矸混进丝头造成套管连接不严密。

3）注浆花管注浆前要封好孔，封孔时提前将棉纱缠绕在距孔口3 m和5 m处的套管上，缠绕长度1 m,套管下到位后，用封孔剂封堵孔口不少于500 mm,之后将注浆管路与19号闸阀及丝头与套管相连接。

4）当遇到漏浆情况的时候，暂停注浆泵或调整节流阀，降低注浆速度，停泵时间不能超过3 min，每3 min左右开一次注浆泵，让泵的活塞往返运动2次，然后停止注浆泵，如此反复，直到已经注入的浆液强度封堵住漏浆裂隙为止，然后继续正常开泵注浆；当遇到裂隙比较大的漏浆通道的时候，可以用棉纱塞住漏浆通道，辅助浆液封堵漏浆通道。

3.3 瓦斯管理

1）班队长及跟班负责人每班必须携带便携式甲烷检测报警仪，跟班队长负责在迎头正规悬挂便携式甲烷检测报警仪。

2）采用抗静电阻燃风筒，风筒出风口到迎头的距离全岩巷道不大于10 m。风筒吊挂应平直，要求环环吊挂，不准挤压、撕裂、断开风筒。

3）施工过程中要坚持深浅孔配合探查，利用深孔骨架钻孔及浅孔注浆钻孔兼做探眼，施工过程中，若发现瓦斯异常、出现顶钻等现象，应立即停止作业，但不得拨出钻杆或钎子，并撤出人员，切断回风流中的一切动力电源。

4 结 语

淮北矿业袁二矿七采区轨道大巷及上山盾构机穿断层带施工是全国范围内首个极复杂围岩条件下煤矿盾构机施工实例，施工期间，创新采用了一系列新工艺、新方法，安全有效的穿过了30 m冒高导水断层破碎带等20多条断层破碎带，未再出现冒、漏顶现象，不仅提高了施工安全性，而且避免了冒顶处理影响，保证了盾构机在复杂地质条件下的稳步施工。

在煤炭行业发展向智能化、信息化、机械化、自动化转型的大背景下，井工煤矿掘进采用盾构机施工是发展方向，引进盾构机进行岩巷施工是煤矿“减人提效”的重要举措。敞开式盾构机施工期间为解决新设备不适应破碎围岩巷道的“水土不服”问题，淮北矿区广大工程技术人员从实践中总结经验，逐步摸索出一套破碎围岩条件下盾构机的施工方法，为盾构机在全国矿区的推广应用做出了重要贡献，其经验在全国范围内值得推广。