巷道通过高落差断层的施工方法

2005/10/12 15:39:43

　　摘　要　根据巷道通过高落差断层施工易出现冒顶、片帮和底鼓的实际，分析了应采用的施工方案和支护形式，认为采用弧板支护是过特大断层及破碎带十分有效的支护形式。
　　关键词　高落差断层　高强弧板　超前支护

1　概况
　　陈四楼煤矿设计生产能力为2.40Mt，南北两翼开拓。该矿井于1990年7月开工，1994年4月北翼施工时，皮带大巷及轨道大巷先后遇到该矿井井田内落差最大的断层——F₃₉断层。该断层为正断层，与其分支构成断层群，总落差为91m，主断层落差为73m，走向EW，倾向S，倾角55°。施工时巷道(轨道大巷)所揭露的F₃₉断层破碎带宽度为6.8m；破碎带本身透水性较弱，涌水量小于10m³/h，但流动性较强。巷道穿过的断层前后岩层分别为二₂煤顶板铝质泥岩、砂质泥岩、断层破碎带及二₂煤底板砂岩等。由于泥岩、铝质泥岩遇水膨胀性强，施工时巷道底板及两帮有明显的位移发生。
　　F₃₉断层附近水源丰富，主要含水层有二₂煤底板砂岩含水层及太灰水，水压4.3MPa左右，断层附近巷道顶底板及两帮均有突水的可能，因此，防冒顶、片帮和底鼓是施工的难点和关键。

2　施工方案
　　根据断层及其附近围岩情况，确定按照有疑必探、先探后掘的原则，采用先打钻预注浆堵水加固围岩，然后再使用高强混凝土弧板支护的方案强行通行。

3　支护形式
　　由于F₃₉断层及其附近岩石极为破碎，地压较大，原施工时先后分别采用29U型支架、现浇钢筋混凝土、料石碹及各种复合支护形式均未成功。汲取以往教训，同时为推广新技术，确定采用C100超高强混凝土弧板支架外加粉煤灰缓冲层的复合支护形式。该支护形式为目前过特大断层及破碎带十分有效的支护形式，曾先后在淮南、平顶山两矿务局试验成功。高强弧板支架是具有特大承载力和一定可缩性的全封闭的强力支护，其设计载荷为5MPa，足以抵抗4.3MPa岩溶水压力。
　　高强弧板支护断面设计见图1。设计弧板支架每圈4块，每块质量800kg；充填料为粉煤灰包，其配比——粉煤灰∶灰∶水泥为7∶2∶1，编织袋尺寸为400mm×300mm；平滑可缩夹层为30mm×220mm×390mm的松木板块；底弧板下面的刚性基础为混凝土垫层(水泥∶砂∶石子=1∶2∶3)。

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图1　高强弧板支护设计断面
1—吊装孔；2—粉煤灰包；3—C100混凝土弧板；4—平滑可缩夹层；5—混凝土垫层

4　施工工艺
4.1　钻探及注浆
4.1.1　首次钻探
　　首次探水线确定为80m，即工作面掘到1 146.7m处开始首次钻探注浆，共设1个孔，孔深为60m，孔的方向与巷道方向一致。结果无水。
4.1.2　第2次钻探
　　第2次探水线确定为50m，共布置10个孔(图2)，各钻孔实际钻进深度及角度见附表，方位见图2。

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图2　第2次探水孔布置

附表　钻孔实际钻进深度及角度

项　　目	钻　　　　　孔　　　　　号
项　　目	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
钻孔深度/m	64.37	45.05	45.05	41.7	45.5	46.59	45.00	46.07	63.29	61.04
钻孔角度/(°)	1.7	4	4	-5	-4	5	4	4	-8	7

　　钻探结果表明，断层内压力较大，为泥质胶结，除2号孔涌水量为0.5m³/h外，其余孔涌水量甚小或无水。
4.1.3　注　浆
　　根据钻探结果，注浆以加固围岩为主要目的。首先注好1～5号孔，然后对其余孔进行注浆封孔。注浆浆液为水泥浆，水灰比为1∶1，掺入水泥重量3%的氯化钙。注浆压力为0.6～0.8MPa。注浆后在巷道周围形成帷幕，从而达到加固围岩目的。
4.2　掘砌施工
4.2.1　掘砌方法
　　由于断层带岩石破碎，稳定性较差，为了防止片帮冒顶，采用短段掘砌，弧板支架紧跟工作面，即采用控制爆破法，全断面一次掘进0.5m或1.0m，接着喷30～50mm厚混凝土进行封闭，然后出渣、架弧板。为了加快施工速度，配备机械手和扒矸机，分别用于吊装弧板和装渣。
4.2.2　工艺流程
　　工艺流程为打眼放炮—临时支护—出矸—挖底拱并浇注100mm厚混凝土—架弧板并扶正—壁后充填—成巷。
4.2.3　施工步骤
　　(1)施工准备。在进入断层前，从1 182m处开始起底下坡，到1 196m处，底板落到与弧板底板一致；同时铺设轨距600mm和900mm轨道，以便机械手和矿车到达工作面。
　　(2)断层带掘进。采用短段掘砌，每掘进0.5m或1.0m后及时喷混凝土封闭，然后用扒矸机出矸，并铺设临时轨道，将机械手开到工作面。
　　(3)弧板安装。工作面掘出后，先挖底拱，并铺设100mm厚混凝土，再用机械手将底弧板放到规定位置并扶正，保证两端在同一水平面。而后安装两侧弧板。安装前在弧板接头处放1块可缩性木垫板——平滑可缩夹层。将侧弧板放到规定位置后，用吸水后的粉煤灰包将其背后充填实。最后安装顶部弧板至设计位置，同样用吸水后的粉煤灰包将其背后充填实，即可成巷。

5　断层带防片帮、冒顶措施
　　开始架弧板时，围岩较稳定，仅采用工作面喷浆封闭临时支护。当施工到1 209.6m处，即第34架弧板位置时，工作面出现断层。揭露断层面，进入破碎带后，围岩很不稳定，并有明显底鼓现象。于是，及时采取了长1.8m超前缝管式金属锚杆支护，锚杆方向与巷道轴线方向成30°左右夹角，锚杆间排距400～800mm，沿巷道周边均匀布置。每掘进0.5m打1排超前支护锚杆，同时喷浆封闭。当掘进到1 210.2m处，即第37架弧板位置时，工作面破碎带成泥状下滑4m，顶板有继续下滑冒落的趋势，为此，及时在全工作面打锚杆并局部挂网喷浆封闭，终于使工作面趋于稳定，阻止了工作面继续下滑，第一次避免了冒顶事故。之后，继续采取短段掘砌法施工。当掘进到1 216m，即第50架弧板位置时，工作面发生了第2次破碎带泥状下滑(下滑2m)；当掘进到1 221.2m，即第63架弧板位置，工作面揭露第2条断层面时，发生了第3次下滑(下滑2.1m)。均同样采用工作面锚网喷浆封闭加固的方式，有效防止了冒顶事故发生。

6　结语
　　(1)本次巷道过断层施工，弧板支护工作量共40m，即100架(弧板宽度为0.4m)，由于采用机械手安装弧板、扒矸机装岩，既加快了破碎带施工速度，又节省了人力。
　　(2)断层破碎带段巷道施工后经两年的观测，巷道变形量极小，表明高强弧板支护取得了成功。可见，在巷道施工通过地质条件类似F₃₉断层的较为复杂的地段，采用高强弧板支护比较安全可靠。
　　(3)在巷道施工通过极不稳定的破碎带时，采用超前支护，缩短围岩暴露时间，可有效防止工作面下滑失稳，避免冒顶事故的发生。

作者简介：赵忠贤，男，34岁，矿建工程师。1990年7月毕业于焦作矿院，长期从事基层管理及技术工作，现任陈四楼煤矿开拓2队队长，发表论文多篇。
作者单位：(永煤集团陈四楼矿，永城，476600)

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