过大型断层巷道设计方案优化与工程实践.pdf

第4 7 卷 第8 期 煤炭 工 程 C OAL E NGI NE ERI NG Vo 1 ．4 7． No ． 8 d oi 1 0 ．1 1 7 9 9 ／c e 2 01 5 08 01 6 过大型 断层巷道设计方案优化与 工程实践 于 泳 河南能源化工集 团 陈 四楼煤矿 ，河南 永城4 7 6 6 0 0 摘要 陈四楼煤矿八采 区巷道设计需穿过大型断层布置生产 系统，为最大限度地减 少岩巷 施工工程量，同时保证巷道施工安全，采用 “ 远距 离超前探 测 -4 - 注浆改造灰岩含水层 注浆封 堵 围岩裂隙 软弱破碎 围岩高强支护” 等方式 ，优化 了设计方案 ，增 强了断层附近 围岩抗压强 度 ，封堵 了灰岩含水层导水通道，在后期的工程实践 中，取得 了良好的效果。 关键词 软弱破碎围岩；超前探测 ；注浆 ；设计优化 ；大型断层 中图分类号T D 2 6 3 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 0 8 - 0 0 4 4 -03 De s i g n Opt i mi z a t i o n a n d En g i ne e r i n g Pr a c t i c e o f Ro a d wa y Cr o s s i n g La r g e Fa u l t YU Yo n g C h e n s i l o u C o a l Mi n e ，H e n a n E n e r a n d C h e mi c al G r o u p C o mp a n y ，Yo n g c h e n g 4 7 6 6 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t ．． T h e p r o d u c t i o n s y s t e m o f No ． 8 d i s t r i c t r o a d w a y i n C h e n s i l o n C o a l Mi n e c r o s s e d l a r g e f a u l t ， i n o r d e r t o mi。 n i’ mi z ing t h e r o c k t un n e l c o n s t r u c t i o n q ua nt i t i e s， a nd e n s ur e t he s a f e t y o f t u n ne l c on s t ru c t i o n， t h e r o a d wa y d e s i g n s c h e me w a s o p t i mi z e d， u s i n g l o n g d i s t a n c e a d v a n c e d d e t e c t i o n ， l i me s t o n e a q u i r r e c o n s t ruc t i o n wi t h g r o u t i n g， r o c k fi s s u r e g r o u t i n g s e a l i n g ， h i g h s t r e n g t h s u p p o f o r s o ft a n d b r o k e n s u r r o u n d i n g r o c k ． T h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f s u r r o u n d i n g r o c k n e a r t h e f a u l t w a s e n h a n c e d，t h e l i me s t o n e a q u i f e r w a t e r c h a n n e l wa s b l o c k e d ． An d f a v o r a b l e e f f e c t wa s o b t a i n e d i n e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ． Ke y wo r d s s o ft b r o k e n s u r r o u n d i n g r o c k；a d v a n c e d d e t e c t i o n； g r o u t i n g ；d e s i g n o p t i mi z a t i o n ； l a r g e f a u l t 陈四楼煤矿主采二叠系山西组二，煤层 ，煤层赋存稳 定 ，结构简单。二 煤层以上山西组地层主要由泥岩、砂质 泥岩、砂岩等组成 ，岩性总体表现为下粗上细的特征，二 煤层 以下山西组地层 以砂岩 、泥岩 为主 ，直接 覆盖 在太原 组上段灰岩含水层之上。 八采区位于矿井北部，总体上位于 F 1 3正断层 最大落 差9 0 m 及其分支断层 F 1 31 正断层 最大落差 6 5 m 之间 如图 1所示 。该 区域煤 层 埋藏 较深 ，地 质 条件 较复 杂 ， 断裂构造 发育 ，主要发育 两组走 向分别 为近 东西 向和北北 西向的断裂构造，根据陈四楼煤矿采掘过程 中实际揭露大 中型断层情况 ，断层面裂隙较发育，围岩软弱破碎，大部 分有断层破碎带 ，断层 附近巷道压力较大 。 八采 区水文地质条件中等 ，直接 充水水源 为二 煤层 顶 底板砂岩裂隙水，富水性弱，以静储量 为主，易于疏干。 间接充水水源为太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水 ，该含水 层段主要发育三层灰岩含水层。其中，L 灰岩为生物碎屑 灰岩 ，距二2 煤层底板约 5 3 m，厚度约 1 ． 5 m；L 。 灰 岩距二 煤层底板约 6 7 m，厚度约4 m，以深灰色、隐晶质燧石结核 为特征 ；L 。 灰岩距二 煤层 底板 约 8 3 m，厚度约 1 l m。在构 造裂隙发育处 ，太原组上段灰岩水可通过构造带向工作面 充水 ，其中L 灰岩水是造成工作面突水的主要水源，其他 两层灰岩水可 由钻孔 、断裂构造等通道 向 L 灰 岩含水层进 行 补给。受 采动 影 响可使 断层 和 裂 隙活化 构 成导 水 通道 ， 强化构造带的导水性 ，直接联通含水层 0 j 。 根据区域整体设计方案，巷道施工需穿过 F 1 3正断层 进入到断层下盘 煤层 中 ，为判 断清楚 断层 的产状 及具体 位 收稿 日期 2 0 1 41 1 2 4 作者简介于泳 1 9 8 5一 ，男，满族，辽宁抚顺人，硕士研究生，现在从事煤矿生产技术管理工作 ，Em a i l y a y 03 2 2 g ma i l ． c o rn。 弓 I 用格式于泳．过大型断层巷道设计方案优化与工程实践 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 5 ， 4 7 8 4 4 4 6 ． 2 0 1 5年第8 期 煤炭工程 图 1 八采 区位置图 置，采用远距离超前钻探技术，为巷道设计提供依据。同 时 ，为防止断 层成 为 导水 通 道 ，采用 底 板 注浆 加 固技术 ， 改造灰岩含水层，封堵断层附近围岩裂隙，提高围岩抗压 强度，保证巷道安全施工。 1 远距离超前探测及巷道设计方案优化 1 ． 1 远 距 离超前 钻探技 术 在综合分析三维地震勘探资料的基础上，使用煤矿专 用大扭矩液压钻机远距离超前探测断层及煤层位置。这不 仅可以更加准确地确定煤层位置和断层产状，为巷道设计 提供可靠的资料，同时在钻探过程中，超前探测钻孔可以 兼顾 探测断层 导水 性 的作 用 ，并提 前采 取 围岩 裂 隙加 固措 施 。考虑到陈 四楼煤 矿现 有生 产系 统 ，目前 巷 道位 于 F 1 3 正断层上盘煤层顶板施工，为最大限度地缩短工期，提高 效率，采用掘进和钻探同步进行的施工方法。由于大扭矩 液压钻机可远距离进行超前钻探，因此 ，在接近断层 时， 提前设立巷道 “ 挂耳”钻场，进行超前探测，共设计钻孔 9个，累计钻探进尺 8 5 8 m，探测清楚 F 1 3正断层的位置及 产状，为巷道设计及钻探注浆设计提供了依据。 1 ． 2 巷 道设 计 方案优 化 考虑到矿井现有生产系统，目前巷道落底位于二 煤层 顶板 ，八采 区生 产系 统需穿 过 F 1 3正断层 进行 布置 ，在 原 有地质资料基础 上进行 采 区设计 ，主要考 虑三种 过 断层方 案①巷道的平巷段穿过断层进入断层下盘煤层底板后 ， 巷道起坡上山找煤 ，再进人煤巷施工；②巷道在断层上盘 提前起坡，利用原有三维地质勘探提供的资料 ，设计巷道 上山坡度和变坡点位置 ，见煤后沿煤层掘进 ；③探明断层 上 、下盘煤层 位置及 断层 位置 ，巷 道提前 变坡 上 山 ，在断 层下盘煤层与断层面交界处进入煤层施工。 对比这三种过断层方案，方案一在揭露断层面后再找 煤，虽可以保证巷道顺利进入煤层，但施工岩巷距离最长， 工程量和投资最大，且过断层后距离太原组上段灰岩层位 较近 ，对巷道 安 全施 工不 利 ；方 案二 提 前变 坡 上 山 找煤 ， 虽可以节省岩巷工程量，但 由于三维地震勘探资料存在误 差，上山找煤风险较大，且不易确定巷道坡度，导致投资 成本增加；而方案三在确定断层面及断层下盘煤层位置的 情况下 ，提前变坡 上 山 ，在断层 面位 置揭煤 并进 入煤层 施 工 ，优点是施工 岩巷 工程量 最小 ，并 可 以顺 利进 入断 层下 盘煤层施工 ，风险很小，缺点是断层面附近煤的岩石力学 性质较差 ，巷道 压 力 较 大 ，不 利 于 巷道 支 护 。综 上 所 述 ， 对比几种方案的优缺点，确定采用更加稳妥且投资最少的 方案 三进行 巷道施工 。 2 注浆改造灰岩含水层及注浆封堵断层导水通道 2 ． 1 注 浆改造 灰岩含 水 层 根据陈四楼煤矿水文长观孔资料 ，该区域太原组上段 灰岩岩溶裂隙发育程度较差，单位涌水量 0 ． 0 3 5 L ／ sm， 属于富水性弱 的含水层 。太原组上段灰岩是二 煤层 的间接 充水含水层，距二 煤底板约 5 3 m，根据水文长观孔资料， 该区域煤层底板受太原组上段灰岩静水压力在 5 MP a 左右， 所以，在构造发育处，灰岩水有沿断裂构造带涌人工作面 的可能。因此，需对太原组上段灰岩含水层进行注浆改造， 注浆充填岩溶裂隙，把含水层改造成隔水层或弱含水层， 增加有效隔水层厚度，增强底板抗压强度，保证巷道安全 掘进。本次底板注浆改造工程共施工钻孔 6个，总注浆量 为2 0 2 ． I t 。其中，单孔最大出水量 3 0 m ／ h ，单孔最大注浆 量 为 1 2 1 ． 8 5 t ，经 后期 补加钻孑 L 进行检验 ，钻孔注 浆效果 良 好 ，底 板灰 岩含 水 层 已改 造成 为弱含 水层 ，底 板注 浆改造 钻孔注浆施工成果如图 2所示。 图2 底板注浆改造钻孔注浆施工成果图 2 ． 2 注浆封堵断层导水通道 巷道施工使 原始 围岩应 力状 态重新 分 布，围岩 的力 学 性质发生变化，容易增加围岩裂隙，活化导水通道 ，对巷 道安全施 工造成极 大 的威 胁 J 。而采 用注 浆 的方法 ，不 仅可以使浆液充分充填岩层中的空隙，而且可以将岩石中 的部分碎屑胶结在一起 ，使它们胶结成统一密实的整体， 从而 提高围岩强 度 。因此 ，在断层 发育 处采 用深孔 注浆 的 方式 ，充 实断层导 水通 道 ，对 围岩裂 隙进行 封堵 ，使断 层 4 5 煤炭工程 2 0 1 5 年第8期 失去导水性，保证巷道安全施工，同时可以提高断层附近 围岩强度 ，提高巷 道支护 效果 。在 实际应用 中，为 节省钻 探工程量 ，利用探煤 钻孔进 行深孑 L 注浆 ，封堵 断层 导水通 道 ，从而保证了巷道安全施 工。 3 软弱破碎围岩高强支护技术 大 中型断层附近 围岩应 力集 中 ，且 往往发 育断 层破 碎 带 ，属于典型的软 弱破碎 围岩 ，这种 地质条 件下 的巷道 围 岩特征如下①巷道底鼓变形量极大；②巷道围岩变形具 有明显的时间效应，变形总是随时间推移而快速发生；③ 巷道底鼓对外 界扰动 非常 敏感 ，当巷 道受到邻 近开 掘 、巷 道修复等外界应力扰动下，底鼓变形速度将急剧增长 。 因此 ，在这种条件下 ，巷道支护和维护都比较 困难 。 F 1 3正断层 落差 较大 ，巷 道在 掘进 至该 断 层时 ，揭 露 约 5 m长断层破碎带 ，破碎带内充填泥质、砂质碎块，岩石 揉皱变形严重，有少量淋水，巷道施工采用高强锚网喷支 护和浅孔壁后注浆相结合的方式进行支护。 3 ． 1 高强锚 网喷支护 巷道断面为4 2 0 0 m m 3 6 0 0 m m，施工采用 “ 锚索 高强 锚杆 金属钢筋网喷射混凝土”的方式进行支护，锚索采 用 1 8 ． 9 m m6 5 0 0 m m的钢绞线锚索，间排距 1 6 0 0 ra m 1 6 0 0 ra m，顶板采用 2 0 m m 2 2 0 0 m m的高强螺纹锚杆，帮部 采用 1 8 m m2 2 0 0 ra m 的左 旋 螺纹 钢锚 杆 ，锚杆 间 排距 为 8 0 0 m m 8 0 0 m m，均采用金属钢筋 网护顶帮 ，支护完成后 采 用喷射混凝土的方式覆盖锚杆及金属网，保证喷浆质量，巷 道支护 断面图如图 3所示。 图 3 巷道 支护 断面 图 1 t l l n 3 ． 2浅孔壁后 注浆 软弱破碎围岩处采用浅孔壁后注浆的方式对巷道围岩 进行 注浆加 固 ，充实壁后 围岩裂隙 ，增加围岩强度 ，使围 46 岩成为统一的整体，提高支护效果。全断面布置 9根注浆 管，间排距 1 ． 5 m1 ． 5 m，相邻两排孔间隔布置，注浆管采 用 直径 2 0 m m 的镀锌 钢管 加工 ，每根钢 管各 留有 两排 注浆 孑 L ，拱部及 帮部注 浆管 长 1 m，底 板注 浆管 长 1 ． 5 m。围岩 注浆采用气动注浆泵 ，压力控制在 0 ． 8～1 M P a ，浆液采用 4 2 5 普通硅酸盐水泥配制 ，水灰 比0 ． 81 。 4结语 巷道施工采用 “ 远距离超前探测 注浆改造灰岩含水 层 注浆封堵围岩裂隙”的方式 ，顺利通过该断层，过断 层期间巷道仅 有 少量 淋水 ，无 断层 突 水或 滞后 突水 现 象 ， 不仅保证了巷道施工安全，而且优化了巷道施工方案，使 巷道减少了近百米的岩巷施工 工程量 ，节省 了大量 的费用 。 同时，采用高强锚网喷支护和浅孔壁后注浆相结合的软弱 破碎围岩高强支护方式，有效地控制巷道 围岩的变形量， 在巷道浅孔注浆加固完成后 0 2 0 d内，巷道顶底板移近量 约 5 0 m m，两帮移近量约 4 0 m m；第 4 0 6 0 d ，顶底板移近 量仅 l O m m，两帮移 近量基本 为零 ，说 明巷道 已处 于稳 定状 态 ，支护效果 良好。因此 ，经工程实践验证 ，该方 案可行 、 合理，为矿井过类似大型断层巷道设计提供了良好的范例 和借鉴。 参考 文献 [ 1 ] 冯义信 ，王堂士 ，阚文涛．工作面底板 出水 规律及相关 因 素分析 [ J ] ． 山东煤炭科技 ，2 0 0 5 4 6 5 6 6 ． [ 2 ] 邢会安 ，卢全生 ，荆冰川．煤矿工作 面底板突水通道 的研 究 [ J ] ．能源技术与管理 ，2 0 0 9 2 6 46 6 ． [ 3 ] 王素贞．朱庄煤矿大突水工作面注浆堵水实践 [ J ] ．江西 煤炭科技 ，2 0 0 5 4 2 52 7 ． [ 4 ] 王卫 军，侯 朝 炯．软 岩 巷 道 支 护 参数 优 化 与工 程 实 践 [ J ] ．岩石力学 与工程学报 ，2 0 0 0 ，1 9 5 6 4 7 6 5 0 ． [ 5 ] 张玉军．基于固流耦合理论 的覆岩破坏特征及 涌水量预计 的数值模拟 [ J ] ．煤炭学报 ，2 0 0 9，3 4 5 6 1 1 6 1 3 ． [ 6 ] 钱鸣高 ，石平五．矿 山压力 与岩层 控制[ M] ．徐 州 中 国矿业大学 出版社 ，2 0 0 3 ． [ 7 ] 刘刚．井巷工程 [ M] ．徐州中国矿业大学 出版社， 2 0 0 5 ． [ 8 ] 徐永圻．采矿学 [ M] ．徐州；中国矿业大学 出版社 ， 2 0 o 3 ． [ 9 ] 王卫军．动压 巷道 底鼓 [ M] ．北 京 煤炭 工 业 出版社 ， 2 0 0 3． [ 1 0 ] 李明远．软岩巷道锚注支护理论与实践 [ M] ．北京 煤炭 工业出版社 ，2 0 0 1 ． [ 1 1 ] 刘耀明 ，秦江艳 ，王剑 峰，等．察哈素煤 矿巷道底鼓 测试 及治理技术研究 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 4 2 4 5 4 7 ． [ 1 2 ] 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