掘进巷道过断层破碎带安全措施研究_苏张锋.pdf

煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 1工程概述 寺河煤矿位于山西省晋城市沁水县嘉峰镇， 矿井 设计生产能力为 10.8.0Mt/a，井田面积约为 230km2， 全井田可采煤层分为 3、 9、 15 煤层，煤层总厚度 10.32m，目前主回采煤层为 3 煤层，平均厚度为 6.31m。 矿井设计为斜井立井综合开拓方式， 综合机械 化开采， 采区布置分为东区、 西区、 北区三个部分。 寺河矿东六盘区东回风大巷位于 380 水平， 工 作面以东为矿界、 西为东井区东回风二巷 （已掘） 、 北 为 380 水平回风巷 （未掘 ） 。巷道设计长度为 360m， 巷道为矩形断面，断面规格为宽高 5.04.5m， 巷 道直接顶主要以炭质泥岩为主， 泥岩厚度为 3.2m， 基 本顶主要以细砂岩为主， 平均厚度为 11.8m， 该巷道 由晋城宏圣建筑工程有限公司承包施工； 巷道初步支 护设计中顶板采用单锚杆及锚索支护， 锚杆采用直径 为 22mm， 长度为 2.4m 左旋无纵筋螺纹钢锚杆， 锚索 采用直径为 21.6mm，长度为 7.3m预应力钢绞线， 截 至目前巷道已掘进 170m。 根据寺河煤矿地测科提供资料显示， 东回风大巷 掘进至 375m 处将揭露一条正断层 F7，断层落差为 1.5m， 倾角为 55， 如图 1 所示； 受构造应力影响， 巷 道掘进至 352m处顶板开始出现破碎， 顶板岩体单轴 抗压强度仅为 6.7MPa， 且顶板下沉现象严重， 最大下 沉量达 0.47m， 巷道原支护设计无法满足支护要求。 图 1寺河煤矿六盘区东回风大巷 F7 断层剖面示意图 2破碎顶板联合控制措施应用 晋城宏圣建筑工程有限公司常店项目部通过研 究， 决定采用强行破岩法过 F7 断层， 为了保证巷道过 断层期间施工安全，在过断层前后 15m 范围内对破 碎顶板采用“注浆 施工撞楔加长锚杆支护 架设 “π” 型工字钢棚” 等联合方法进行维护。 2.1注浆支护 由于受构造应力影响， 顶板原岩出现严重破碎现 象，破碎岩体单轴抗压强度及承载能力大大降低， 造 成原顶板支护质量差、 支护失效现象严重， 所以可通 过注浆法提高破碎岩体胶结稳定性及承载能力。 1 ）东回风大巷掘进至 360m处 （距 F7 断层 15m ） 掘进巷道过断层破碎带安全措施研究 苏张锋 （晋城宏圣建筑工程有限公司 ，山西 晋城048000 ） 摘要 为了保证掘进巷道安全快速过断层破碎带， 提高断层附近顶板稳定性， 晋城宏圣建筑工程有 限公司常店项目部通过技术研究， 在寺河矿东六盘区东回风大巷掘进期间过 F7 断层时， 对破碎顶板 采取了注浆、 架设 “π” 型工字钢棚、 施工撞楔超前加长锚杆支护等联合顶板控制措施， 实际应用效果 表明， 有效提高了断层带处破碎顶板稳定性， 取得了显著成效。 关键词 掘进巷道 ； 断层 ； 破碎顶板 ； 安全措施 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 03- 0015- 03 Study on safety measures of crossing fault zone in tunneling SU Zhangfeng （JinchengHongshengBuildingEngineeringCo., Ltd. ， Shanxi Jincheng 048000 ） Abstract In order to ensure the safe and fast crossing fault zone and improve the stability of the roof near the fault, the production section of Jincheng Hongsheng Building Engineering Co., Ltd. has adopted the grouting, the erection of the “Pi“ I- steel shed and the construction wedge ahead of the F7 fault during the excavation of the East return air lane of the Sihe mine. Combined roof control measures such as lengthened bolt support and so on, the actual application results show that the stability of broken roof in fault zone has been effectively improved, and remarkable results have been achieved. Key words Tunnelling； Fault ； Broken roof； Safetymeasures 15 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 开始对破碎顶板施工注浆钻孔并进行注浆， 工作面每 排布置 4 个钻孔，钻孔直径为 55mm，钻孔深度为 8.0m， 钻孔间距为 1.2m 钻孔布置在距巷道顶板 1.0m 处且与顶板成 30夹角布置， 如图 2 所示。 2 ） 钻孔施工完后采用高压注浆泵向钻孔内注射马 丽散与催化剂配比为 11 的混合液，在注浆过程中发 现岩体出现浆液渗透现象时立即停止注浆并对钻孔采 用黄泥砂浆进行封堵， 待注浆 2h 后方可继续掘进。 3 ） 第一排钻孔注浆完成且巷道掘进 5.0m 后， 开 始施工第二排注浆钻孔并进行注浆工序，相邻两排 注浆孔水平方向交错 2.0m 布置。 2.2撞楔超前加长锚杆支护 由于顶板相对破碎， 为了防止巷道在掘进期间顶 板出现垮落事故， 晋城宏圣建筑工程有限公司常店项 目部决定在巷道掘进前在巷道设计顶板位置施工一 排撞楔超前加长锚杆支护。 1 ） 东回风大巷采用的撞楔超前加长锚杆支护主 要由若干根长度为 4.5m，直径为 22mm 的加长锚杆 组成。 2 ） 首先在巷道设计顶板位置施工一排超前支护 钻孔， 钻孔深度为 4.0m， 钻孔直径为 30mm， 钻孔垂直 工作面布置， 每排施工 10 个钻孔， 钻孔间距为 0.5m。 3 ） 超前支护钻孔施工完后依次在钻孔内填装锚 固剂及钢针并进行锚固，每个钻孔填装三支锚固剂， 从孔底往外依次为两支 MSK23/35 型和 MSZ23/60 型。 4 ） 第一排超前支护施工完后巷道继续掘进， 当巷 道掘进 1.0m后在顶板施工永久支护时采用钢带及锚 杆将超前支护与顶板固定预紧，每掘进 1.0m施工一 根钢带，当巷道掘进 3.5m时巷道设计顶板开始施工 第二排撞楔超前支护，且与第一排叠加交错布置， 叠 加长度为 1.0m。以此类推直至巷道完全过断层破碎 带且顶板稳定后停止施工超前支护。 2.3架设 “π” 型工字钢棚 为了进一步提高顶板稳定性，防止顶板下沉， 晋 城宏圣建筑工程有限公司常店项目部通过研究决定， 在东回风大巷破碎顶板注浆支护、 永久支护以及超前 支护施工完后决定在其下方架设 “π” 工字钢棚。 1 ）东回风大巷破碎顶板架设的 “π” 型工字钢棚 主要由四节棚腿、 一节 “π” 型顶梁以及两个棚腿底座 组成，每节棚腿由 11 工作钢梁组成，棚腿长度为 2.5m， 每两节棚腿通过滑槽及卡缆连接固定， 伸缩长 度范围 3.0- 5.0m； 顶梁长度为 4.8m， 棚腿底座采用规 格为长宽厚 3003005mm钢板制成。 2 ） 首先在架设钢棚处巷道两帮底板进行起底施 工棚腿基础坑， 起底规格为长宽深 300300 200mm， 起底后将棚腿底埋入基础坑内并采用强度为 C30 混凝土进行浇筑。 3 ）棚腿底座安装后依次安装棚腿，棚腿与底座 之间采用两根固定锚栓进行连接预紧， 两节棚腿之间 采用卡缆固定， 棚腿安装后为保证棚腿稳固在棚腿与 巷帮之间施工两根长度为 1.0m固定锚杆并采用卡缆 固定， 如图 2 所示。 图 2寺河煤矿东回风大巷断层破碎带联合支护断面图 4 ）棚腿安装后将 “π” 型顶梁与其对接并采用卡 缆预紧固定， 预紧力不得低于 200N.m 5 ）第一架钢棚架设完后开始架设第二架钢棚， 相邻两架钢棚间距为 1.0m，待所有钢棚架设完后在 相邻两架钢棚顶梁之间铺设长度为 1.5m，宽度为 0.3m水泥背板，水泥背板铺设完成后通过调节棚腿 滑槽升降器将顶梁升起， 确保水泥背板与巷道顶板接 触严实。 3应用效果分析 1 ）东回风大巷在掘进期间，对断层带附近顶板 破碎岩体采取注浆支护，有效提高了顶板胶结稳定 性， 通过实验观察发现注浆后顶板破碎岩体单轴抗压 强度提高至 18.2MPa, 在过断层期间顶板未出现局部 破碎、 冒顶现象。 2 ） 通过施工撞楔超前加长锚杆支护对破碎顶板 进行超前维护，有效避免了顶板破碎支护措施不及 时， 造成巷道掘进期间工作面迎头煤壁片帮、 顶板垮 落事故发生； 实践证明东回风大巷施工撞楔超前支护 后工作面在过 F7 断层期间工作面煤壁片帮得到很好 控制， 顶板未发生一起垮落事故。 3 ）通过架设密集 “π” 型钢棚对断层破碎带顶板 （下转第 20 页 ） 16 ChaoXing （上接第 16 页 ） 进行支护， 进一步提高了顶板整体稳定， 对顶板下沉、 变形现象得到了有效控制， 东回风大巷架设钢棚后对 其顶板进行三个月观察发现， 在第一个月内由于受掘 进影响， 巷道围岩应力重新分配， 顶板下沉量相对较 大， 最大下沉量为 0.12m， 在第二个月内顶板基本趋 于稳定， 顶板下沉量较小， 下沉量为 0.05m， 第三个月 内顶板岩体应力得到平衡， 下沉量为 0。 4结束语 晋城宏圣建筑工程有限公司常店项目部通过技 术研究，对寺河煤矿东回风大巷过断层破碎带期间， 对破碎顶板采取“注浆 撞楔超前加长锚杆支护 架设 π 型钢棚”等联合维护措施，实际应用效果表 明，采取联合措施后大大提高了破碎顶板稳定性， 避 免了顶板冒落事故发生， 提高了巷道过断层期间掘进 效率， 取得了显著成效。 参考文献 [1] 曹学军.断层区顶板破碎、 漏顶巷道支护工艺[J].能源与节 能， 2016 （01） 35- 36 [2] 张兴. 塔山煤矿破碎煤体巷道掘进中超前锚注加固技术 研究[J].同煤科技.2016 （03） 15- 18 [3] 王新兴.巷道过断层破碎带支护技术[J].煤矿安全.2012 （10） 83- 85 [4] 陶文斌. 大断面巷道过大落差逆断层破碎带支护技术[J]. 煤炭工程.2016 （01） 56- 58 [5] 王立峰.软岩巷道过断层破碎带施工技术[J].建井技术， 2011 （05） 9- 12 作者简介 苏张锋 （1984.05-） ， 男， 毕业于太原理工大学工程造价 专业， 本科， 工程师， 现就职于晋城宏圣建筑工程有限公司， 从事煤矿技术管理工作。（收稿日期 2018- 6- 8） 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 所受载荷大于未锚注区域， 说明锚注加固不仅能够增 强围岩的完整性，而且能使锚索更有效锚固在岩体 中， 使其充分发挥悬吊等作用。 3.3支护方案优化 现场矿压监测结果表明， 锚注加固段巷道平均顶 底板移近量 880mm，与非锚注加固段巷道平均顶底 板移近量 1125mm 相比减少了 21.8； 锚注加固段巷 道平均两帮移近量 1064mm， 与非锚注加固段巷道平 均两帮移近量 1357mm 相比减少了 21.6； 锚注加固 段巷道锚索受力平均为 325kN， 与非锚注加固段巷道 锚索受力 284.8kN 相比增大了 12.3， 可见锚注加固 后整体巷道围岩变形量及锚索受力状况得到了明显 改善， 但现场观察发现， 部分锚注加固区段煤柱及顶 板变形仍然较大。 针对以上所存在的问题， 分析发现进行锚注加固 时， 当巷道围岩已极为破碎， 浆液在围岩中的扩散半 径将受到显著影响， 需要减小注浆锚索间距， 使相邻 注浆锚杆浆液扩散半径能够相互搭接以形成稳固的 承载整体。由此对原加固支护方案进行优化设计， 主 要在顶板中间增加一根直径为 22mm、长度为 7200mm的注浆锚索， 以增强巷道支护强度。 4结论 针对采空侧巷道围岩破碎问题， 制定了中空注浆 锚索加固方案， 矿压观测结果表明， 与未进行锚注加 固时相比， 锚注加固区内顶板和底板的相对移近量减 少了 21.8， 两帮相对移近量减少了 21.6， 锚索受 力增大了 12.3，锚注加固方案起到了显著的效果， 针对部分变形严重区域， 制定了补强加固措施， 有效 维护了沿空巷道围岩的稳定。 参考文献 [1] 黄中峰. 中空注浆锚索破坏规律分析及关键技术性能优 化[J].金属矿山,2015 （09） 116- 121. [2] 马振乾,杨英明,张科学,宋红华.新型中空注浆锚索及其 k 在动压巷道中的应用 [J]. 煤炭科学技术,2015,43 （07） 15- 19. [3] 李桂臣,孙辉,张农,卫英豪,张磊.中空注浆锚索周边剪应 力分布规律研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33 （S2） 3856- 3864. [4] 霍振龙,孙志勇,郭相平.强烈动压巷道全长预应力注浆锚 索加固技术[J].中国矿业,2014,23 （06） 106- 111. [5] 姚强岭,李波,任松杰,李学华.中空注浆锚索在高地应力 松软煤巷中的应用研究[J].采矿与安全工程学报,2011,28 （02） 198- 203. 作者简介 乔越 （1987-） ， 男， 山西阳泉人， 2012 年 7 月毕业于太原 理工大学阳泉学院采矿工程专业， 采矿助理工程师， 现从事 煤矿生产技术工作。（收稿日期 2018- 6- 26） 20 ChaoXing