掘进巷道通过极复杂地质构造的工艺

韩立权

（大同煤矿集团云岗矿，山西 大同 037017）

陷落柱是由于地下水长期溶蚀岩溶形成溶洞，在地质构造力和溶洞上覆岩层重力的作用下，溶洞发生坍塌而形成。经研究，山西省陷落柱接触带的煤层以及顶底板一般无牵连现象，接近3～5 m 时，岩层裂隙发育，煤层十分破碎，有时可以见到落差不大的小正断层，断层的走向与柱体相切，在陷落区的边缘地带有的柱内干燥无水，因不同地区而异。

陷落柱使煤层及周围岩石遭到破坏，造成巷道提前报废。当巷道直接穿过陷落柱时，给巷道的维护和顶板管理造成很大困难，同时增加了维护费用，如果顶板使用锚杆、锚索支护，末端不能锚固在完整稳定的岩层中，起不到支护作用；如果使用钢梁棚支护，棚腿不能支撑在坚硬的底板上，可能陷入底板，也起不到支护作用。回采时妨碍机械化采煤，经常使采煤机和液压自移掩体支架无法使用和通过。

根据《煤矿防治水细则》规定：探查陷落柱等垂向构造时，应当采用物探、钻探两种方法，底板方向钻孔不得少于3 个，有异常时加密布孔。

81003-1工作面位于12-2#层410 盘区，煤层倾角2°～7°，平均4.5°，该区域煤层厚度2.5～3.5 m，平均3.0 m，局部含1-3 层厚度0.1～0.5 m 的夹石；直接顶为灰色粉砂岩，厚度在3.0～10.0 m 之间，平均5.5 m；直接底为粉细砂岩，灰白色，含少量炭质碎屑，裂隙发育，水平层理明显，胶结松散，易碎，厚度约2.7 m；老底为灰白色中砂岩，厚度约7 m 其中51003-3巷设计长69 m，规格为4.2 m×2.8 m，以方位265°由东北往西南方向掘进；与陷落柱X36、正断层F12相遇，断层落差1.7 m，巷道受影响范围约35 m（如图1）。

图1 81003- 1 工作面陷落柱与断层分布图

1 陷落柱的探查工艺和治理

通过对陷落柱进行物探及对本区水文地质情况的具体综合分析研究，寒武灰岩岩溶水不会对开采造成威胁，不存在带压开采。

在进行钻探时，采用ZQJC 系列气动架柱式钻机，对陷落柱的导含水性进行了探查，使用一种适合钻机的新型止水套管。

止水套管的主要结构由是两种不同孔径的钢管组成，两种钢管套在一起使用，外管比内管的长度短，而内管超出的部分，用胶圈套在内管上进行补足，在外管末端与胶圈之间安装压圈。内管的内径比钻头的直径大，从而在钻探时内管不能阻碍钻头的正常工作，钻机的钻头直径为43 mm，选用扩孔钻头直径为90 mm。

内管选择2 寸高强度钢管（内径50 mm，外径60 mm），在内管尾部制作丝扣，安装挡圈；在距内管前端10 cm 处焊接顶丝导向板并安装两根M24 mm×300 mm 的顶丝，顶丝导向板的两端焊接止水套固定板，内管前端焊接经过加工的法兰盘，焊接方式；内管长度根据《煤矿防治水细则》中要求设计，为了井下方便井下搬运，每根套管长度以2.5～3.0 m 为宜，每两节之间通过丝扣连接。

外管选择3 寸高强度钢管，（内径80 mm，外径89 mm），外管一端焊接顶丝挡板，长度比内管短0.5 m。

顶丝导向板、顶丝挡板、压圈、挡圈由15 mm 厚钢板制成，止水套管固定板由10 mm 厚钢板制成。

扩孔钻头直径为90 mm，使用旧钻杆制作一个导向管，安装在钻头前方，保证扩孔时能准确的沿着原钻孔的方向前进。

钻孔经过扩孔后，钻孔内径与外管的外径相同，深度比内管的长度短0.3 m，将止水套管填入钻孔内，用锚索将内管固定在岩（煤）体上，转动内管上的顶丝挤压外管，通过外管的移动，推动压圈，迫使胶圈（60 mm×90 mm×110 mm）变形，胶圈与钻孔内壁进行充分挤压接触，使钻孔内壁与外管外壁形成一个封闭的空间，保证钻孔内的水不会从外管外壁处流出。最后在内管法兰盘上安装控水阀门，可以随时有效控制钻孔内放水量（见图2）。

图2 止水套管结构示意图

《煤矿防治水细则》沿岩层探放含水层、断层和陷落柱等含水体时，按表1 确定探水钻孔超前距离和止水套管长度。

表1 岩层中探放水钻孔超前距和止水套管长度对照表

根据《水文地质类型划分报告》资料分析，选用长度为6 m 的止水套管，钻探的钻孔终孔位置分布在陷落柱X36柱内及周围，终孔深度达到煤层底板50 m 以下，所有钻孔均不出水，最后进行封孔。

2 掘进期间支护工艺

巷道掘进支护期间，在保证传统钢梁棚支护工艺的前提下，使用一种适合钢梁棚支护的棚腿基，垫在棚腿下端，确保棚腿不会陷入底板，并且使钢梁棚达到由刚性支护变成柔性支护的目的。

2.1 端头棚腿基的制作方法

端头棚腿基每节使用两根2 m 长的11 号工字钢并列焊接在一起。焊接之前在每根钢梁两端各打通两个孔径为20 mm 的孔，孔间距以及边孔距钢梁端头的距离为10 cm，并且在距端头520 mm 处，间隔320 mm，打通孔径为70 mm 的孔（见表3）。

图3 端头棚腿基俯视图与正视图（mm）

2.2 中间棚腿基的制作方法

中间棚腿基每节使用两根2 m 长的11 号工字钢并列焊接在一起。焊接之前在每根钢梁两端各打通两个孔径为20 mm 的孔，孔间距以及边孔距钢梁端头的距离为10 cm（见图4）。

图4 中间棚腿基左视图与俯视图

11 号工字钢A 的规格：110 mm×90 mm×9 mm；对应柱帽B 的规格：160 mm×130 mm×6 mm。两根工字钢的宽度为180 mm，用厚度为10 mm 的钢板焊接高度为60 mm 的柱帽槽D，E 为钢梁、柱帽同时放入柱帽槽的示意图，用厚度为10 mm 钢板制作边长为60 mm 的直角角筋16 个（见图5）。

图5 组装柱帽槽示意图（mm）

在棚腿基的0.5 m、1.0 m 处各焊接一个柱帽槽，并且在左右两侧各焊接4 个角筋加固（见图6）。

图6 柱帽槽焊接示意图

用厚度为10 mm 的钢板制作基夹板，类似轨道的道夹板，规格：650 mm×70 mm，在每块基夹板两端各打通两个孔径为20 mm 的孔，孔间距以及边孔距钢梁端头的距离为10 cm，每节棚腿基要配3 块基夹板。

51003-3巷将按照原设计直接穿过陷落柱。由于陷落柱柱体被不同地层的岩煤的碎块填充，无层序，混乱堆积。岩石棱角分明，形状不规则，排列紊乱，大小混杂，为黏土充填黏结。

51003-3巷在距离陷落柱1 m 时，巷道底板两侧开始使用端头棚腿基，在棚腿基的左右两侧向底板各施工4 个钻孔，由于没有施工底板长锚索钻孔的器具，所以使用ZQJC 气动架柱式钻机。钻孔间距320 mm，直到坚硬岩层为止，约4 m 深，将4.3 m 长的锚索锚固在钻孔内，在注锚索时，为了防止高速旋转的锚索弯曲伤人，所以使用1.5 m 长的钻杆套在锚索上，钻杆一端与锚索注眼器一同固定在钻机上，另一端伸入到钻孔中，通过钻机高速旋转和推进，锚固锚索。除去锚固长度后，钻孔剩余部分用混凝土浇灌，顶端与底板相齐。锚索外露长度0.3 m，将7 环锚链穿过棚腿基的通孔，用锁具将两端的锚索与锚链锁紧，形成4 组地锚（见图7）。

图7 端头棚腿基锚固示意图

在端头棚腿基的前端顶板上支护一根锚索梁，巷道向前掘进到1 m 时，支护一根钢带，当掘进到1.5 m 时，在锚索梁的两端各支设一根单体支柱，钢带、钢梁和单体支柱构成临时支护。巷道继续掘进到2 m 时，在顶板上支护第二根锚索梁，并且在巷道底板两侧铺设第一节中间棚腿基，与端头棚腿基之间用4 根0.3 m 短锚索和三块基夹板连接在一起，棚腿基之间有5 cm 缝隙，每根短锚索两端用锁具锁住，形成柔性连接（见图8）。

图8 棚腿基连接示意图

在第一个柱帽槽处架设第一架钢梁棚，巷道向前掘进到3 m 时，在顶板上支护一根钢带，并且在第二个柱帽槽处架设第二架钢梁棚，巷道向前掘进到3.5 m 时，将第一根锚索梁下的两根单体支柱移到第二根锚索梁下，巷道向前掘进到4 m 时，顶板上支护第三根锚索梁，并且在巷道底板两侧铺设第二节中间棚腿基，工序同第一节相同，以此类推，直到巷道穿过陷落柱之后，在最后一节中间棚腿基末端使用端头棚腿基，工序与第一节端头棚腿基相同。通过棚腿基的连接后，钢梁棚整体有了柔性基底，允许巷道有少量变形（见图9）。

图9 钢梁棚支护示意图

3 效果分析

止水套管管体充分进入岩体，起到防突水的效果，杜绝了放水时突水事件的发生；利用锚索固定，能有效防止止水套管滑落，增加现场操作人员的安全性；多节组装而成，搬运轻便，组装灵活，节约运输时间；安装工艺简单，操作方便，密闭性强，耐压性能好。

棚腿基具有强度高，体积小，坚固耐用，有可回收复用的优点。每组棚腿基之间使用夹板进行柔性链接，这样可使巷道整体支护刚度适宜，又具有一定柔性和可缩性，采用柔性连接后，它即允许围岩产生一定量的变形移动，以发挥围岩的自承力。

4 结语

ZQJC 系列钻机使用了配套的止水套管，操作方便，使用安全，降低成本。在钻探和放水时，在保证人员安全的前提下，可以有效的控制放水量。

每节棚腿基架设两架钢梁棚，形成一节支护，每节支护之间留有空间，如此反复支设，每两节金属棚基之间的空间是卸压通道，使巷道整体变为支让结合的支护方式，围岩可向预留空间发展变形，从而减轻巷道围岩变形对巷道支护的破坏。