摘要：煤炭是我国重要的基础能源，在煤矿开采过程中，断层的处理非常重要。断层的形成破坏了煤岩层整体性，降低了岩层面胶结稳定性，当掘进巷道过断层带时，断层上下盘煤岩层出现失稳现象，断层面附近煤岩体受构造应力、原岩应力以及上覆岩层重力的影响，出现离层、破碎、局部冒顶现象，单一的锚杆支护锚固效果差，岩层破碎时锚杆的悬吊作用失效。随着时间推移，断层带处应力不断加大，顶板表层岩石层不具有支撑作用且支护作用失效，从而造成破碎带顶板成层状破碎趋势且向顶板深部延伸，从而发生顶板漏顶事故。
关键词：巷道过断层破碎带；掘进；支护技术
引言
在煤矿井下巷道掘进过程中，断层一直是最为常见的几种地质构造形式，依据有关生产调查统计，因过断层而引发的各类事故一直处于矿山事故的前列。特别是近年来随着我国能源需求的不断增大和浅层煤炭资源的日益殆尽，煤矿开采深度持续增加，开采地质条件复杂程度日益提升，井下巷道掘进中遭遇断层的几率也显著增高，为井下掘进作业的安全开展造成一定威胁。基于此，如何在掘进巷道过断层时开展有效的支护便成为保障作业安全的关键要点，同时也是提升掘进作业效率，改善采掘衔接矛盾，实现矿井经济效益提升的强效推力。
1巷道过断层破碎带掘进技术
某矿井田主要含煤地层为石炭系上统和二叠系下统，石炭系上统为一套海陆交互相含煤沉积地层，由漫滩相之砂岩、沼泽相之泥岩、煤层，海相之石灰岩组成；泥岩为灰黑色，砂岩为灰色粗、中、细粒石英砂岩，其间夹有4层石灰岩，其中海相薄层灰岩岩溶裂隙含水层为太原组主要含水层。二叠系下统为一套陆相含煤沉积地层，岩性主要为砂质泥岩、细砂岩、泥岩，其中砂岩裂隙和层理都较发育，砂岩裂隙含水层为山西组主要含水层。
1.1超前地质预测预报
巷道掘进施工前，做好超前地质预测预报。根据地质报告资料及邻近待掘巷道的已掘巷道各类已揭露的地质资料，分析研究待掘巷道掘进范围内地质及水文地质条件、构造、煤层及顶底板情况，特别是邻近巷道已揭露的断层特点及导水情况，从而分析出待掘巷道遇到已揭露断层的可能性和大概位置，提前做好相应决策。同时，在巷道掘进过中做好地质资料收集，及时观测并绘制巷道素描图，掌握其特点和变化规律，分析研究是否存在隐伏断层，提前做好相应对策。确保巷道安全掘进。
1.2超前探放水
矿井巷道掘进施工前必须采取超前探放水，先物探圈定富水区域，后钻探验证，研究清楚是否存在断层破碎带；如果存在，确定断层破碎带的具体位置、范围及导水情况，可以采取水样化验确定含水层层位，从而确定含水层富水情况。对于薄层灰岩及砂岩含水层，可以采取集中疏放对策。如果不存在，可以钻探100米，控制超前距30米，帮距20米，确保巷道掘进安全。
1.3注浆加固与加强巷道支护
目前，注浆加固技术在煤矿矿井巷道掘进及工作面回采中应用已比较成熟。巷道掘进通过断层破碎带前，可以采取加强巷道支护并注浆加固，杜绝巷道掘进期间巷道底板大量突水，减少巷道变形，最大程度减少断层活化导致的滞后突水可能。
1.4留设防水煤（岩）柱
巷道掘进超前探放水时，钻探探测到掘进前方存在断层，断层导水或使煤层与较强含水层接触或接近，有突水威胁又不宜疏放（疏放会造成成本大大提高）时，为防止断层导水或较强含水层水涌出淹没掘进巷道或矿井，可采取就留设防水煤（岩）柱对策。后续再重新规划巷道布置或掘进方位。
图1 过土地沟断层联合支护示意图
2巷道过断层破碎带支护技术
某煤电企业设计开发长度为950m的巷道，具体掘进采用钻眼爆破法。出渣，则应根据巷道所在环境选用不同方式进行处理。经对当地地质测量资料进行分析，发现共有3条正断层，其所处的破碎带环境会对煤矿巷道掘进的支护效果造成影响，进而降低巷道掘进施工的整体性。为此，支护工艺设计人员应对可能出现的问题进行分析，以对局限采取对应的措施保证掘进支护结构稳定性。
过土地沟断层的施工，应采用永久+注浆+钢棚联合支护方式来保证巷道破碎顶板的安全稳定效果。如图1所示，为过土地沟断层联合支护示意图。
（1）永久支护工艺的优化设计是指，将顶板锚索长度设置为8.3m，锚杆材料确定长度为2.5m的左旋无纵筋螺纹钢锚杆。此外，为达到支护预期的永久效果，还应在顶板没掘进1m时，设置一根长度为5.8m的“JW”型钢带。为规避钢带作用的单一性，还应对每根钢带配置6根单锚杆，并将间距控制在1m左右，以强化永久支护设计效用。
（2）注浆支护，主要集中在以下四种施工情况：其一，巷道掘进至距离土地沟断层5m位置，对巷道顶板实施注浆。具体的支护操作，先要在距离顶板1.2m的工作面设置一排注浆钻孔，并使钻孔以直线状态作用。此外，工艺设计人员应将每排钻孔布置数量确定为4个，将钻孔间距设置为1.5m，将钻孔深度设计为5m。当钻孔与顶板工作面成10°仰角，就可保证土地沟断层巷道顶板结构的作用稳定性。其二，顶板工作面钻孔作业完毕后，应采用专门注浆泵对钻孔进行凝固浆液的注射。这里的凝固浆液，应采用催化剂与马林散混合配置。与此同时，还应对浆液注射的压力进行控制，以达到工艺优化设计的预期，即保证浆液能够完全渗入至岩体内部环境。其三，当顶板工作面实现凝固浆液完全渗透后，应停止注浆，并对钻孔进行封堵。值得注意的是，为保证注浆钻孔的工作面结构的稳定性，5h以内不得开展爆破作业。其四，当巷道顶板工作面的浆液完全凝固后，就可着手下一道工序的施工控制。由于工作面每排注浆钻孔的作用范围为4.0m，因此，巷道掘进每3m就应开展一次顶板工作面的注浆支护处理。
（3）钢棚支护。要想保证巷道掘进施工过程能够以安全稳定状态通过断层破碎带，工艺控制人员应在完成永久支护与注浆支护后，对巷道内部进行U29钢棚的假设，以强化支护稳定效果。这里的钢棚，应由五节棚梁与棚腿组成，其中棚腿的长度应根据工程巷道顶板的高度确定为2.8m。具体的架设作业，应先保证棚腿牢固效果。如，实际架设作业遇到底板松软情况，需通过起底浇筑来提高棚腿支撑设置的稳固性。此过程，相邻棚腿的架设部位，须以均匀对称状态作用，以强化钢棚支护效果。
由上述工艺设计优化技术运用可以看出，掘进巷道过断层破碎带时，需与工程建设所处的地质条件进行结合，以使采用的钢棚架设、顶板作业面钻孔浇筑以及永久支护措施达到稳固目标，进而强化煤矿巷道掘进作业的安全稳定性。
结语
断层是由于岩层受地应力作用而发生破裂，破裂后的岩块岩破裂面发生显著位移产生的构造痕迹。断层常导致断层周围大范围岩层出现大量裂隙，甚至使岩石破碎形成破碎带范围，裂隙和破碎带是矿井水和瓦斯的存储空间，同时也是导通通道，常常会沟通其他含水层及瓦斯储集煤（岩）层。因此，在矿井巷道掘进与支护施工中，必须做好断层破碎带的探测及研究，及时采取相应解决对策。
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论文作者:陈伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
标签：巷道论文; 断层论文; 顶板论文; 含水层论文; 钻孔论文; 工作面论文; 作业论文; 《基层建设》2019年第17期论文;