二采区回风巷过断层施工工艺及支护技术

张鹏珍

（晋能控股煤业集团四侯煤矿，山西 晋城 048100）

1 概述

晋能控股煤业集团四侯煤矿二采区回风巷由南向北开拓掘进，巷道西部为胶带输送机大巷，南部为人行大巷（进风巷），东部为一采区采空区，与采空区预留保安煤柱宽度为27 m。二采区回风巷设计掘进长度1450 m，巷道为矩形断面，净宽为5.0 m，净高为4.0 ，沿3#煤层顶板掘进。煤层平均厚度为4.65 m，平均倾角为3°，坚固性系数为f=3.37，硬度f=3～4，煤层属硬煤层，容重1.45 t/m3，煤层顶底板岩性见表1。

表1 二采区回风巷3#煤层顶底板岩性表

二采区回风巷掘进至760 m 处，揭露F351 正断层，走向近东西向，倾向南，倾角70°，落差3.2 m，对巷道掘进影响长度为47 m；巷道掘进至755 m 处时进入断层应力区，巷道顶板及两帮破碎严重；当巷道掘进至760 m 处时在构造应力以及邻近采空区残余应力作用下，位于采空侧巷帮出现严重片帮现象，并伴随肩角煤柱垮落，造成断层区巷道顶板成“尖锥”状，顶板支护难度大、支护效果差。

2 断层区巷道施工工艺优化

由于原二采区回风巷采用的矩形断面承载能力低，在应力作用下易出现变形，所以决定对断层区巷道断面进行优化，巷道布置为拱形断面，并采用分层爆破施工工艺[1-5]。

（1）二采区回风巷断层区拱形巷道宽度为5.0 m，高度为4.0 m，其中拱高为2.5 m，拱基高为1.5 m。巷道拱形段顶板采取W 型钢带、锚杆、钢筋网、锚索进行联合支护，拱基段采取单锚杆支护。

（2）原巷道采用EBZ260 型掘进机掘进，单茬全断面掘进深度为1.0 m。由于巷道断面大，掘进后不能及时对顶板支护，且全断面掘进时断层区围岩在集中应力作用下很容易出现蠕动变形破坏作用，所以决定对拱形段采取分层爆破施工工艺。

（3）巷道分层爆破时拱基段采取全断面光面爆破，规格为长×高=5.0 m×1.5 m，拱形段采取松动爆破，拱基段共计布置32 个爆破孔，其中掏槽孔4 个，深度为1.5 m，辅助孔8 个，深度为1.3 m，周边孔20 个，深度为1.3 m。

（4）拱形段共计布置20 个松动爆破孔，钻孔深度为1.0 m，钻孔垂直迎头岩体，在拱形段中部布置两个掏槽孔（孔深1.5 m），与拱基段同步爆破，实现对松动爆破岩体超前爆破预裂。

（5）光面爆破孔内填装三段毫秒延期电雷管（1段、3 段、5 段），松动爆破孔填装两段毫秒延期电雷管（1 段、5 段），延期时间为130 ms，光面爆破孔中辅助、周边孔单孔装药量为0.9 kg，掏槽孔单孔装药量为1.2 kg，松动爆破孔单孔装药量为

0.6 kg。

（6）先进行全断面光面爆破，爆破时将拱形段掏槽孔同步爆破，后进行掏槽爆破，松动爆破时按先轮廓后中部的顺序，爆破后及时对拱形段顶板进行支护。

3 断层区巷道加强支护技术

3.1 深孔帷幕注浆加固

为提高拱形顶板承载能力以及加固采空区侧巷帮围岩，决定对断层区巷道采取深孔帷幕注浆加固。

（1）帷幕注浆孔参数。钻孔深度为10 m，直径为45 mm，钻孔采用液压钻机配套中空钻杆以及直径为45 mm 合金钢钻头施工。拱形顶板共计布置5 个钻孔（1#～5#），采空区巷帮共计布置两个（6#～7#），其中4#、5#、6#、7#四个钻孔向采空区侧偏角为30°。

（2）注浆材料。目前注浆材料主要分为有机材料和无机材料，有机材料如马丽散、聚氨酯、雷特因等，无机注浆材料如水泥砂浆、粉煤灰等。但是在实际应用中发现，有机注浆材料具有成本费用高、反应过程中产生大量热量等缺点，而无机注浆材料具有渗透能力差、凝固时间长等缺点。二采区回风巷决定采用以水泥熟料为主料，以石膏、生石灰为辅料的新型注浆材料，各成分配比见表2。

表2 新型注浆材料各成分配比

（3）注浆工艺。采用双通注浆泵进行注浆施工，先将主料、辅料分别加入搅拌桶内，然后对两种基料分别加入减水剂、速凝剂、增稠剂并均匀搅拌，最后采用注浆泵进行高压注浆施工。为了提高注浆效果，注浆前对注浆钻孔进行封孔处理，注浆压力为4.5 MPa。

3.2 水力膨胀锚杆施工

由于受采空区影响，二采区回风巷采空区侧巷帮收敛、破碎，而采用传统锚杆支护时锚杆预应力无法有效传递至稳定岩体内，锚杆支护效果差、失效率高，所以决定对巷帮采取水力膨胀锚杆支护。

（1）支护原理。将水力膨胀锚杆锚固在岩体中，然后对锚杆高压注水，当水压大于膨胀锚杆杆体屈服强度时，杆体膨胀变形被镶嵌在岩体中。杆体膨胀过程中与岩体之间产生极大摩擦力，同时对钻孔附近破碎岩体进行挤压形成挤压受力圈，从而减小卸压空间，控制围岩裂隙范围扩大，如图1。

图1 水力膨胀锚杆支护原理图

（2）支护结构。水力膨胀锚杆主要由锚固端、杆体、收缩固定骨架、玻璃钢托盘、注水嘴、挡圈等部分组成。杆体长度为2.0 m，直径为20 mm，杆体膨胀系数为1.4，杆体屈服强度为280 MPa。

（3）支护工艺。① 每排布置3 根水力膨胀锚杆，锚杆布置间距为1.0 m，上部锚杆以10°仰角布置，中部锚杆垂直布置，下部锚杆以10°俯角布置；②锚杆锚固后采用螺母进行预紧，然后在其外露端依次安装挡圈、注水嘴并与注水泵连接；③ 注水时注水最大压力为18 MPa，当注水压力达10 MPa 时稳压10 min，注水完成后开泵卸压放水。

3.3 支设U29 型钢棚

（1）为了提高拱形围岩承载强度，对拱形段巷道支设U29 型钢棚进行加强支护。钢棚从过断层前2.0 m 处开始架设，直至过断层后2.0 m 停止架设，架设间距为1.0 m，共计架设51 架。

（2）U29 型钢棚主要由弧形顶梁、U29 型棚腿、抱箍、底座、防倒拉杆等部分组成。棚腿紧贴巷帮支设，棚腿安装后采用锚杆进行固定；弧形顶梁由三节组成，相邻连接采用对插式安装，对插深度为0.4 m，对插后采用抱箍进行固定。

（3）钢棚安装时保证顶梁与顶板之间预留0.2 m 间隙，所有钢棚安装后在间隙处填充长度为1.2 m 水泥背板，相邻两架钢棚棚腿、顶梁之间采用六组防倒栏杆固定，如图2。

图2 二采区回风巷断层区联合支护示意图（mm）

4 结语

（1）对过断层区巷道断面优化为拱形断面，提高了拱顶承载强度，与锚杆（索）支护形成的应力拱联合抗压。

（2）采取分层爆破施工工艺，解决了机械全断面掘进以及全断面爆破时，受扰动影响严重以及围岩破碎、垮落等技术难题。

（3）对断层区采取联合支护技术，提高了围岩承载强度，防止在集中应力作用下围岩破碎现象。巷道在后期两帮收缩量仅0.21 m，采空区侧巷帮仅局部收缩，但未出现断裂、垮落。