掘进巷道过断层施工工艺优化

王跃楠

（晋能控股煤业集团长平公司，山西 晋城 046700）

1 概述

晋能控股煤业集团长平公司53041 巷北部相连为五盘区开拓大巷（已掘），东部为5304 工作面回采煤区、5303 工作面，西部为5305 工作面（尚未布置），南部为六盘区开拓大巷（正在布置）。53041 巷设计长度为2103 m，断面宽×高=4.5 m×3.7 m，巷道布置在3#煤层中，煤层平均厚度为5.14 m，平均倾角为5°。煤层顶底板岩性见表1。

表1 53041 巷掘进的3#煤层顶底板岩性表

53041 巷采用综合机械化掘进，巷道已掘进至1422 m。巷道掘进至1417 m 处揭露F2 正断层，断层落差为2.8 m，倾角为57°，断层处岩体主要以砂质泥岩、碳质泥岩、粗砂岩为主。巷道底部主要为粗砂岩，岩体厚度为1.9 m，岩石普氏系数f ＞5.0；巷道顶部以泥岩为主。通过钻探发现该断层对巷道影响长度为42 m。

2 分层爆破施工工艺

2.1 掘进方案对比分析

根据巷道掘进现状以及揭露断层岩体情况，对53041 巷过F2 断层提出了三种掘进方案：

方案一：机械强行破岩法。在过F2 断层时采用掘进机强行截割断层岩体。该方法优点是无需调整巷道掘进走向，实用性强。但是由于F2 断层岩体主要以粗砂岩为主，岩体硬度高，掘进机破岩难度大、掘进速度慢，而且设备故障率高。

方案二：仰斜掘进施工。由于F2 断层侵入后造成断层下盘煤体上移，仰斜掘进即调整巷道上山角度，使巷道仰斜掘进到位后巷道底板沿断层岩体表面掘进。该方法最大优点是减少了断层岩体破岩量，但是在仰斜掘进时需穿层施工，受断层影响，煤层稳定性差，在穿层过程中很容易出现顶板垮落事故。同时，巷道掘进40 m 后需再次调整巷道掘进角度进行下山掘进，造成巷道坡度大，不利于后期工作面回采。

方案三：分层爆破施工。分层爆破施工先对断层下断面坚硬岩体进行全断面爆破，对上断面岩体采用松动爆破，然后再采用掘进机出矸。该方法可降低岩体强度及掘进机破岩难度，降低了设备故障率，而且掘进速度快；但是在施工过程中受爆破震动影响，围岩稳定性差，需对断层区围岩采取合理有效的支护技术。

通过三种施工方案对比分析，决定53041 巷过F2 断层期间采用分层爆破施工工艺[1-5]。

2.2 施工工艺

（1）断层底部岩体为粗砂岩，岩体硬度高，决定对该部分岩体采用全断面光面爆破施工工艺。共计布置36 个爆破孔，其中掏槽孔4 个，深度为1.6 m；辅助孔8 个，深度为1.4 m；周边孔24 个，深度为1.4 m。掏槽孔单孔装药量为1.2 kg，周边孔及辅助孔单孔装药量为0.9 kg。其中掏槽孔、辅助孔、周边孔依次填装一支1#、3#、5#毫秒延期电雷管，延期时间为130 ms。

（2）下断面光面爆破后对上断面施工松动爆破孔，共计8 个孔，孔间距为0.5 m，孔深为1.0 m。钻孔施工完后每个钻孔内填装一支矿用乳化炸药以及一支毫秒延期电雷管，每次爆破钻孔数量为4 个。

（3）采用的乳化炸药为矿用三级抗水性炸药，每支药卷装药量为300 g，采用正向装药，雷管脚线采用串联连接方式。光面爆破孔采用水炮泥封孔，长度不得低于0.8 m，松动爆破孔封孔长度不得低于0.5 m。

3 断层区顶板支护技术

由于断层区围岩受构造应力以及爆破震动影响，巷道顶板稳定性差，易出现破碎、垮落现象，所以对原顶板支护进行优化，采取“超前管棚注浆+自锁式让压锚杆+桁架锚索”联合支护。

3.1 超前管棚注浆支护

由于53041 巷断层区上部为3#煤层，煤层平均厚度为0.9 m，受采动影响煤层易垮落，导致顶板出现失稳现象，决定在爆破施工前对顶板施工一排超前管棚注浆支护。

（1）首先对顶板施工一排支护孔，孔间距为0.4 m，共计布置9 个支护孔，孔深度为3.5 m，直径为35 mm，钻孔垂直迎头煤壁布置。

（2）支护孔施工完后对中部孔及两侧帮孔分别安装一根长度3.5 m、直径30 mm注浆管棚支护体。支护体中部为中空状，中部孔直径15 mm，端部为销尖状。在管体四周均匀布置一排注浆射孔，孔间距为0.5 m，直径为10 mm。支护体采用锚固剂进行锚固。其他钻孔内安装一根直径为30 mm、长度为3.5 m 的圆钢。

（3）超前支护体安装后，对中部及两侧超前管棚支护体内依次安装一根直径为12 mm 注浆软管，并在孔口处采用长度为0.5 m 橡胶止浆塞进行封堵，然后进行注浆施工。注浆液采用马丽散与催化剂混合的有机化学材料。

3.2 自锁式让压锚杆

由于原顶板采用的是螺纹钢锚杆，采用端头锚固方式，该锚杆刚性强、让压效果差，在断层区围岩内锚固质量差，达不到预期锚杆悬吊支护作用，所以决定在原螺纹钢锚杆支护基础上，交错施工自锁式让压锚杆。

（1）自锁式让压锚杆结构。自锁式让压锚杆主要由杆体、自锁机构、让压机构等部分组成。其中杆体长度为2.8 m，直径为22 mm，杆体最大承载强度为455 MPa；自锁机构主要由自锁片、连接套、弹簧、螺纹套管以及推杆等部分组成，如图1 所示。让压机构主要由让压弹簧、锚杆托盘、垫片、锁紧螺母等部分组成。

图1 53041 巷断层区顶板支护示意图（mm）

（2）支护方式。① 原顶板中每排布置5 根长度为2.5 m 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，优化后将第一排1#、3#、5#螺纹钢锚杆替换为自锁式让压锚杆，将第二排2#、4#螺纹钢锚杆替换为自锁式让压锚杆，以此类推，自锁式锚杆呈“三.二.三”布置方式；② 自锁式安装时先对杆体进行锚固，杆体锚固后依次安装自锁机构、让压机构，最后对锚杆进行预紧，预紧力不得低于200 N·m。

3.3 桁架锚索支护

受构造应力影响断层区顶板在应力持续作用下出现下沉、断裂现象，导致锚杆（索）支护“疲劳”、杆体变形等，所以决定对断层区顶板施工桁架锚索削弱顶板垂直应力。

（1）桁架锚索支护原理。对顶板施工对称斜角锚索，斜角大小根据顶板应力大小进行确定。对斜角锚索安装张拉器预紧，在预紧过程中两根斜角锚索对顶板岩体产生一个垂直向上的合力，从而削弱顶板垂直应力破坏作用。

（2）桁架锚索支护结构。每组桁架锚索主要由两根长度为6.3 m、直径为21.8 m 预应力钢绞线，两根圆钢拉杆以及张拉器等部分组成。每根圆钢拉杆长度为1.2 m，直径为20 mm，张拉器最大张紧力为380 kN。

（3）支护设计。① 巷道掘进至1420 m 处开始施工桁架锚索，首先在相邻两排钢带之间，桁架锚索支护与钢带支护平行布置，布置排距为2.0 m；② 两根锚索布置间距为2.0 m，锚索布置斜角为75°；③ 桁架锚索安装后依次在其外露端安装圆钢拉杆、张拉器并进行预紧，预紧力为270 kN。

4 结语

（1）对53041 巷过F2 段采取分层爆破施工工艺后，降低了断层区岩体抗压强度及掘进机破岩难度，巷道过断层掘进速度由原来的2.2 m/d 提高至4.3 m/d，掘进机破岩故障率由原来的14%降低为4%。

（2）通过对断层区采取联合支护后，弥补原顶板锚杆（索）支护时支护质量差、支护失效率高等不足，有效控制了F2 断层区域顶板下沉、变形现象。实测采区联合支护后断层区顶板虽然出现蠕动变形，但是变形下沉量为0.17 m，相比支护前顶板下沉量减小了65%，控制在允许变化范围内。