根据钱营孜煤矿断层条件及矿山生产过断层要求，研究提出一种超前管棚 + 管缝式锚杆超前支护作掩护技术，主要包括：采用管棚超前预注浆加固围岩、采用超前管缝锚杆 + U型棚支护方式控制顶板、设置围岩变形观测站。方案在钱营孜煤矿实际施工后表明：巷道变形小于20 mm，施工支护效果显著提高、施工进度加快50%，施工工期缩短明显、节约成本73万元，经济效益显著。 According to the fault condition of Qianyingzi coal mine and mine production requirements, a kind of advanced pipe jacket and pipe anchor bolt advance protection technology is proposed. It mainly includes: the use of pipe roof advance pre-grouting to strengthen the surrounding rock, the use of advanced pipe-joints anchor and U-type shed support way to control the roof, setting the surrounding rock deformation observation station. The scheme after implementation shows that: the deformation of roadway is less than 20 mm; the construction support effect is improved obviously; the construction progress is accelerated by 50%; the construction period is shortened obviously; the cost saves 730,000 yuan; the economic benefit is remarkable.
薛大伟1，杨猛2，刘福民2，李淋2
1皖北煤电集团钱营孜煤矿，安徽 宿州
2中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州
收稿日期：2017年10月6日；录用日期：2017年10月20日；发布日期：2017年10月26日
根据钱营孜煤矿断层条件及矿山生产过断层要求，研究提出一种超前管棚 + 管缝式锚杆超前支护作掩护技术，主要包括：采用管棚超前预注浆加固围岩、采用超前管缝锚杆 + U型棚支护方式控制顶板、设置围岩变形观测站。方案在钱营孜煤矿实际施工后表明：巷道变形小于20 mm，施工支护效果显著提高、施工进度加快50%，施工工期缩短明显、节约成本73万元，经济效益显著。
关键词 :断层，支护，注浆加固，管缝式锚杆，U型棚
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煤矿生产掘进过程中常常会遇到各种复杂的地质条件，断层作为常见的一种，在巷道施工过程中对巷道支护影响巨大，极易引发安全事故，为巷道掘进施工带来困难 [
钱营孜煤矿隶属于皖北煤电集团，位于安徽省宿州市西南15 km。年生产能力350万吨。根据矿区地面勘探及三维地震资料显示，现西三胶带机、轨道石门前方存在F22及F22-1两个正断层，断层贯穿整个矿区，走向延展长度大于6.5 km，综合落差0~350 m，切割3、7、8、10煤，属查明断层，西三采区集中石门布置平面图如图1所示。利用地面钻探等超前探查技术对包括导水性、断层带发育情况在内的断层属性进行分析，得出F22断层破碎带岩性较混杂，多为泥质充填，且断层带内岩石挤压和揉皱严重。西三胶带石门F22断层破碎带位置确定在P60点前80~118 m，西三轨道石门F22断层破碎带位置确定在G72点前123~153 m；F22断层富导水性：本区煤系地层砂岩、F22断层带、深部太灰等含导水性均弱；F22断层充水水源：主要为煤层顶底板砂岩裂隙水。
根据勘探结果，通过对断层性质情况的研究，结合历史上东一轨大巷过DF165断层的施工经验，通过对支护质量和工程技术方面进行技术论证，对过断层技术进行优化，提出了巷道围岩注浆加固和超前管缝式锚杆管控顶板支护技术。具体的施工方案如下。
图1. 西三采区集中石门布置平面图
根据超前探查已经探明，断层带内多为泥质充填，且断层内岩石破碎严重，致使断层处及周围岩体物理力学性质较差，因此在过断层支护前应对断层围岩进行加固。本次方案选择超前预注浆加固围岩，提高岩体整体的承载能力，结合历史上过东一断层预注浆技术方案，设计本次方案如下：
1) 在西三胶带石门提前10 m的迎头位置施工5个超前钻孔，开孔位置应选择在拱基线以上、终孔位置应选择在巷道轮廓线外1.8 m为宜，设计孔深50 m。以127 mm孔径开孔11 m后，下10.5 m直径108 mm套管固管试压达到8 MPa合格后，以75 mm钻头施工到设计孔深位置，然后全程下直径为50 mm的钢制花管进行管棚超前支护和预注浆加固巷道顶板。超前预注浆孔开孔和落点位置剖面及开孔位置断面图如图2、图3所示。
2) 钻孔施工顺序：1-5#孔—2-4#孔一3#孔，每组钻孔施工完毕及时注浆，并利用下一茬孔查看注浆效果。钻孔参数见表1。
3) 注浆材料主要选择水泥单液浆，本次设计使用PC42.5普通硅酸盐水泥，水灰比2:1。注浆的最终压力选择为8 MPa，当注浆泵用在低档时(一般为1~2档)，压力增长规律性明显，达到最终压力稳定15分钟，钻孔吸浆量小于40 L/min时，即可结束注浆。经计算，每孔注浆量为53 m3，5个孔共计265 m3，每孔需水泥23.9吨，共需水泥119.5吨。实际注浆量为205 m3，水泥92.4吨。
根据前营孜煤矿实际的地质条件，结合我国其他煤矿在管缝锚杆以及U型棚对巷道支护方面的施工经验，本次设计采用超前管缝锚杆 + U型棚支护方式对过断层巷道进行支护，如图4所示，方案设计如下：
1) 管缝式锚杆布置方式：锚杆规格为φ43 mm × 3000 mm，中对中间距200 mm，沿巷中对称布置，支护范围沿巷中至肩窝，全断面管缝式锚杆数量不得少于21根。每架设2棚施工一组超前管缝式锚杆。
2) 打设管缝锚杆时必须从巷中向两帮逐根打设，施工前在迎头的第一棚架棚棚梁上方，外端紧贴迎头第二棚棚梁下沿，采用φ45 mm的钎花配合风锤，紧贴迎头巷道顶板以10˚~20˚左右斜向上顺巷道施工方向打设，眼深度不小于2200 mm，护顶距离2棚。
图2. 西三胶带石门超前预注浆孔开孔和落点位置剖面示意图
图3. 西三胶带石门超前预注浆孔开孔位置断面图
| 编号 | 方位角(˚) | 倾角(˚) | 开孔孔径(mm) | 终孔孔径(mm) | 孔深(m) | 套管(m) | 注浆量(m3) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 274 | 2 | 127 | 75 | 50 | 10.5 | 48 |
| 2 | 275 | 2.5 | 127 | 75 | 50 | 10.5 | 41 |
| 3 | 276 | 3 | 127 | 75 | 50 | 10.5 | 28 |
| 4 | 277 | 2.5 | 127 | 75 | 50 | 10.5 | 37 |
| 5 | 278 | 2 | 127 | 75 | 50 | 10.5 | 51 |
| 合计 | 250 | 52.5 | 205 |
表1. 西三胶带石门超前预注浆钻孔一览表
图4. 西三胶带石门“U”型架棚超前管缝锚杆支护示意图
3) 钻孔施工好后随即使用大锤将管缝式锚杆砸入孔内；管缝式锚杆紧贴迎头第2棚棚梁，末端超出棚梁100~200 mm。
4) 对施工巷道迎头顶板进行超前预注浆，注浆管采用Ф20 mm × 5000 mm的中孔注浆锚杆，间排距：1500 × 3000 mm，角度前倾呈15˚角。每进尺5棚布置一组超前预注浆锚杆，即注5 m，进尺3 m，循环进行。注浆后凝固1个小班后方可进尺。
5) 使用Φ32 mm的钎花开孔，一次性施工5个预注浆孔。注浆时从下向上按照1~5号孔顺序依次注浆。注浆深度应达到破碎围岩的边缘，注浆选用ZBQ-50/6型注浆泵。注浆时要求使用的水泥为PC32.5复合硅酸盐水泥，并且控制终止压力在5 MPa，设定水灰比1:1。水泥浆具体配比见表2，具体注浆消耗量见表3。
围岩监测是避免巷道事故发生的有效方式，对于保证矿山安全生产意义重大。本次方案中为及对巷道变形情况进行统计，监测支护效果确保矿山安全，设计如下监测方案：巷道内每隔5 m建立一组围岩
| 水灰比W:C | 水泥(Kg) | 水(l) | 制浆量(m3) | 比重(g/cm3) |
|---|---|---|---|---|
| 0.042361 | 750 | 750 | 1 | 1.5 |
表2. 水泥浆配比表
| 巷道名称 | 断层名称 | 水泥(Kg) | 制浆量(m3) | 破碎带宽度(m) |
|---|---|---|---|---|
| 西三轨道石门 | F22 | 21,000 | 28 | 30 |
| F22-1 | 3750 | 5 | 19 | |
| 西三胶带石门 | F22 | 24,000 | 32 | 38 |
| F22-1 | 15,800 | 21 | 12 |
表3. 西三集中石门预注浆消耗量
位移观测站，巷道变形量观测站(采用十字布点法)由施工单位负责安装，每2日进行一次观测，地面做好电子版台账。当顶板、两帮位移量达到100 mm时，及时按照滞后注浆设计对顶板及两帮进行注浆加固。
巷道围岩注浆加固和超前管缝式锚杆管控顶板支护技术在钱营孜煤矿实施后取得良好效果，具体如下：
1) 2016年1月份自进入F22断层破碎带前10 m开始，采用本方案施工，4月份通过该断层组后连续6个月观测两帮移近量及顶底移近量，根据1#测量站测得数据显示，施工中在距离掘进工作面不同距离处两帮移近量及顶底移近量均不同，整体表现为距离工作面越远处两值越大，但两帮收敛均小于20 mm，如图5所示，明显低于设计要求，同时底板并未发现有底鼓现象产生，施工过程安全可靠，与之前巷道过断层情况相比，支护效果显著提升。支护效果如图6、图7所示。
2) 西三胶带石门F22 (落差240 m)断层破碎带宽度38 m，自2015年12月28日开始架棚，至2016年2月5日结束，共架设60棚穿过断层破碎带，用时40天，平均单进1.2 m/天(棚距0.8 m)。东一轨大巷过DF165 (落差55 m)断层时，DF165断层破碎带宽度18 m，施工用时29天，架设30棚，平均单进0.8 m/天(棚距0.8 m)，本次施工较东一轨过断层施工单进提高50%。
西三轨道石门F22断层破碎带宽度30 m，在西三胶带过F22断层施工的基础上，进一步优化设计，取消管棚和中空锚杆预注浆施工工序，采取架设U型棚配合超前管缝锚杆支护，共架棚50棚穿断层破碎带，用时25天，平均单进1.6 m/天(棚距0.8 m)，单进提高50%，较东一轨大巷过DF165 (落差55 m)断层，单进提高1倍。本次施工与东一轨大巷过断层施工进度对比见表4。
3) 本次采用的支护形式较以往支护每米降低支护材料成本2000元以上，西三集中石门过F22断层组累计架设150棚，节约材料费约25万元，节约人工成本48万元，合计节约成本73万元。
根据钱营孜煤矿断层条件提出的超前管棚 + 管缝式锚杆超前支护作掩护技术主要包括：1) 采用管棚超前预注浆加固围岩；2) 采用超前管缝锚杆 + U型棚支护方式控制顶板；3) 设置围岩变形观测站，及时掌握巷道围岩变形情况。方案在钱营孜煤矿实际施工后取得以下效果：1) 两帮收敛均小于20 mm，低于设计要求，底板未发现有底鼓现象，巷道支护效果明显；2) 巷道过断层施工单进提高50%，施工
图5. 西三胶带石门1#测站围岩观测曲线图
图6. 西三轨道石门支护效果
图7. 西三胶带石门支护效果
| 巷道 | 断层名称 | 断层最大落差(m) | 破碎带宽度(m) | 单进(m/d) | 施工工期(d) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 名称 | 原支护 | 现支护 | 原支护 | 现支护 | |||
| 西三轨道石门 | F22 | 350m | 30 | 0.8 | 1.6 | 50 | 25 |
| 西三胶带石门 | F22 | 350m | 38 | 0.8 | 1.2 | 60 | 40 |
| 东一轨大巷 | DF165 | 55m | 18 | 0.8 | 29 | ||
表4. 过F22断层与过DF165断层施工进度对照表
工期缩短；3) 节约成本73万元，经济效益显著。实际表明该技术可实现巷道安全快速穿过破碎带，建议在处理煤矿岩巷过大断层时推广应用。
薛大伟,杨 猛,刘福民,李 淋. 钱营孜煤矿采区集中石门过大断层支护技术研究 Study on Super-Large Fault Support Technology for Concentrated Shimen in Mining Area of Qianyingzi Coal Mine[J]. 矿山工程, 2017, 05(04): 160-167. http://dx.doi.org/10.12677/ME.2017.54023