辛置矿10-430B采面区段平巷破碎段控制与治理实践_申亚峰.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 110- 430B1 采面工程地质条件 新置煤矿 10- 430B 采面布置于二水平东四采 区， 成型采面位于左翼皮带巷右侧， 北部为 10- 428A 工作面 （已圈定 ） ， 西部紧邻东四左翼轨道巷， 南部为 10- 428A1 巷 区 段 巷 道 。 所 回 采 10 煤 层 埋 深 418456m， 煤层倾角为 2， 为近水平煤层。煤层 厚度为 1.95～2.78m， 平均煤厚为 2.62m， 内部不含夹 矸， 结构简单。在顶底板岩性构成中， 直接顶由 9 煤 层和泥岩组成， 呈黑色层状分布， 直接顶内节理较发 育。老顶为灰色 K2 石灰岩， 厚层状分布， 节理不发 育， 两者共同组成较为稳定的顶板。底板为砂质泥岩 和中 - 细砂岩， 含黄铁矿结核， 遇水易软化破坏， 发 生底鼓现象。 10- 430B1 平巷为 430B采面配套运输平巷， 矩形 断面设计， 巷道宽高分别为 5.0m3.5m。当平巷开 掘至 430A1 巷 29 导线点 146m处， 揭露有煤层断层 构造带， 该破碎段内地质结构复杂， 围岩松散、 破碎， 导致顶、 底板岩层频繁出现兜网、 片帮和底鼓等灾害。 原有支护方案无法满足巷道安全掘进需求， 断面成型 效果差， 为施工人员、 设备安全和巷道高效掘进带来 严峻挑战。基于此， 430B1 运输平巷与采面位置关系 如图 1 所示。 图 1430B1 运输平巷位置关系 2围岩破碎段巷道变形原因与治理方案 2.1430B1 平巷围岩破坏原因 1 ）破碎段构造运动影响。 在地质成煤过程中， 煤 层与顶、 底板岩石强度受构造运动作用， 导致内部断 层、 节理、 构造力分布状态不尽相同。同时， 一水平煤 层采收作业的完结，导致上覆老顶发生规律性破断， 也极大改变了二水平岩 （煤 ） 层中的原岩应力分布。 在 两者共同下， 10 煤层区段巷道破碎段内原岩应力分 辛置矿 10-430B 采面区段平巷破碎段控制与治理实践 申 亚 峰 （霍州煤电集团辛置煤矿 ， 山西 霍州 031412 ） 摘要 为解决辛置煤矿东四采区 10-430B 采面运输平巷过断层群围岩破碎、 大变形破坏难题， 以矿 山岩体力学和围岩耦合支护理论作为指导， 在对采面地质条件分析基础上， 通关 “预注浆 锚网 锚 索” 多种联合支护方案， 在平巷内形成多层结构体系， 不仅提高了围岩自身承载性， 还较好的减少了巷 道大变形以及返修工程量。 关键词 地应力集中 ； 围岩大变形 ； 破碎围岩加固 ； 主动支护 中图分类号 TD327文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0037-04 Control and treatment practice of crushing section of entry in 10-430b mining face section of xinzhi mine SHEN Yafeng （Huozhou Coal-Electricity Group Company Xinzhi Coal Mine , Huozhou 031412 ， China ） Abstract to solve the symplectic buy 10-430 - b on grabbing the mining area of coal mine haulage roadway through fault group of crush- ing, large deation of surrounding rock damage with mining rock mass mechanics and rock mass coupling support theory as the guid- ance, based on the analysis of geological conditions of the mining surface, customs clearance “pre grouting, anchor net and anchor cable“ a variety of combination supporting scheme, in the entry a multilayer structure system, not only improved the surrounding rock self-bearing sex, also better to reduce the large deation of roadway and the repair of quantities. Keywords ground stress concentration; Large deation of surrounding rock; Reinforcement of broken surrounding rock; Active sup- port 37 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 布呈现不均匀和无规律性。另一方面， 在 430B1 运输 平巷掘进中，揭露有 Z0103、 F0103 编号正、逆断 层，并与其它小型断层共同组成 430 采面的断层群， 也为巷道围岩控制增加了难度。 2 ）采动压力与岩性变化影响。430B1 运输平巷 所服务 10 煤层埋深约 450m， 埋藏深度的增加， 使得 煤层内水平应力明显高于垂直应力。 在区段平巷掘进 时，较高的水平应力显著提升了巷帮处载荷峰值， 进 一步改变顶板、 两帮向巷道内变形和位移值[9]。 在揭露 断层破碎段内， 破碎岩石的力学强度明显低于完整岩 样， 内部泥岩含量较高， 属于弱胶结软岩。开掘后， 所 暴露破碎岩石风化、 遇水膨胀现象更为明显。除此之 外，破碎段内破坏范围与围岩节理发育密切相关， 主 要表现为局部围岩发生随机的小范围结构性破坏， 这 也为围岩稳定性控制增加难度[10]。 2.2破碎段围岩破坏失稳范围与控制方案 当 430B1 平巷开掘至破碎段后， 松散、 破碎围岩 导致岩石力学性能持续降低， 进而促使巷道变形量增 大，仅依靠吊环式前探临时超前支护难以保证效果。 不仅严重降低了施工效率， 也对人员安全构成极大威 胁。在超前预注浆充填破碎岩层技术中， 通过注入不 同组分的浆液， 进而提升破碎岩石胶结性能与自身承 载力， 与其它主动支护相配合可有效控制破碎段变 形[12,13]。 在新置煤矿注浆材料选定与施工中， 主要由无 机矿粉和硅酸盐水泥类浆料为主。因此， 不同水灰比 的无机矿粉注浆材料胶结强度表 1 所示。 表 1不同水灰比条件下浆料固结强度 当 430B1 运输平巷过 F01 断层破碎段时，平巷 永久支护断面尺寸为 5m3.5m。根据前期破碎段钻 孔探查结果以及钻孔、 注浆装备布置， 最终确定超前 预注浆钻孔长度为 15m。 注浆钻孔沿开挖断面向外轮 廓方向延伸， 外扩角 4。顶板注浆孔间距为 270cm， 两帮注浆孔间距为 240cm， 共布置 7 个注浆孔。选用 水灰比为 0.8 1 的无机矿粉作为骨料， 超前预注浆钻 孔施工布置图如图 2 所示。 图 2超前注浆钻孔布置 在超前注浆新支护方案中， 结合注浆后巷道塑性 区方程， 提出了治理 430B1 运输平巷过破碎段的 “超 前预注浆 锚索网” 新型支护方案。新支护方案内容 如下 除预注浆改善围岩破碎工艺， 为控制顶板岩层下 沉， 额外布置 6 根左旋无纵筋螺纹钢锚杆。锚杆屈服 强度不低于 500MPa，间排距为 900mm1000mm， 预 紧力不小于 20kN， 肩部锚杆外延角度为 15。 顶板锚 索采用 119 股高强钢绞线制作，锚索间排距为 2000mm2000mm， 每排布置 2 根， 锚索预紧力不小于 300kN。在巷帮支护中， 两帮处各布置 4 根锚杆， 帮部 锚杆间排距为 1000mm1000mm。与肩锚杆相同， 两 帮部顶、 底两根锚杆分别向上、 向下倾斜 15。 帮部锚 索规格与顶板锚索相同，但间排距调整为 1600mm 2000mm。巷道支护断面设计如表 2、 图 3 所示。 图 3430B1 平巷支护断面 表 2原支护设计参数 3430B1 运输平巷预注浆控制破碎围岩效果 3.1破碎段围岩控制数值模型 根据所开采 10 煤层地质情况， 使用 FLAC3D 有 限元软件， 建立起破碎段围岩塑性破坏数值模型， 研究 注浆注浆前后， 围岩塑性区变化。 所建立模型长度宽 度 20m15m，掘进面尺寸如节 1 所示。划分网格 水灰比 固结强度 / （MPa ） 2h4h8h24h3d28d 0.6 116.320.521.722.322.823.2 0.8 112.813.814.614.815.717.5 1 19.610.511.411.912.514.7 1.2 17.58.29.610.511.612.7 原方案设计直径 / （mm ）长度 / （mm ）顶板巷帮 锚杆2224003 根3 根 锚索2273002 根3 根 38 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 后， 共使用 31350 个单元以及 30187 个节点。在边界 条件设置中， 模型顶部为压力边界， 施加 12MPa 上覆 岩层压力。四周根据 10 煤层地应力测试实验， 施加 16.78MPa 水平侧向应力。模型内参数如表 3 所示。 表 3数值模型参数 3.2注浆作用下塑性区范围变化 图 4430B1 平巷支护断面 430B1 运输平巷注浆胶结作用下塑性区对比如 图 4 所示。 在图中， 当迎头接近破碎段时， 有无预注浆 对围岩塑性区的扩展有明显影响。注浆前， 破碎段岩 层力学性能的降低， 在地应力作用下， 使得巷道顶板、 底板出现冒顶与底鼓现象， 并且围岩塑性区是平巷半 径的 1.52.5 倍。在注浆治理方案中， 注浆后的浆液 与破碎岩石胶结为一体， 减少了围岩单元拉伸、 剪切 破坏单元， 及时改善了围岩力学强度， 减小了底板底 鼓与顶板下沉量。对比图 4 未注浆时巷道塑性区， 塑 性破坏区范围减小了 40以上，达到有效控制巷道 围岩变形的目的。 3.3破碎带治理效果 为监测 430B1 运输平巷破碎段支护控制效果， 依据掘进要求，在掘进成巷一侧布置有 2 处测点， 用 于收集过破碎段后的围岩变形数据。 按照作业规程要 求， 成巷断面顶板监测方法有两种， 一是安装机械式 顶板离层仪和锚杆 （索 ） 压力表， 主要收集巷道顶板离 层量和锚杆受力状态。 二是采用十字布点法监测断面 位移， 采集内容包括顶底板相对移近量， 两帮相对移 近量。根据监测内容， 监测点 1、 2 处围岩变形规律如 图 5 所示。 如图 5 所示， 在监测点处围岩变形趋势中， 经 “注 浆 锚网索” 加固作业后， 围岩顶底板变形均呈现前 期变形剧烈， 后期逐渐趋缓的趋势。在图 5a 中， 注浆 前顶板最大变形 400mm， 远超出锚杆拉伸极限。 显然， 原有支护方案无法满足控制顶板变形的目的。当注浆 后， 掘进迎头处顶板最大下沉量仅为 150mm， 经加固 后， 顶板下沉量减少 50以上， 极大保证巷道围岩安 全。与顶底板绝对变形量相同， 当平巷开掘后， 顶底板 变形速率也呈现逐渐减小的趋势。观察伊始， 顶板监 测点 1 处最大变形速率为 60mm/d。 经注浆作业后， 顶 板最大变形速率下降至 43 mm/d。通过改进后加强支 护方案，可以在较短时间内，将顶底板变形控制在 300mm安全限定以内， 达到改造岩层强度的目的。 a注浆前后顶底板变形量 图 5430B1 平巷内围岩变形量 4结论 1 ）当 430B1 采面过地质构造区域时，破碎段围 岩受地质构造运动、地应力和随机节理共同影响， 使 得围岩松散破碎， 巷道内顶、 底板变形严重， 极大的增 加后续返修工作量。 2 ）在虎克 - 布朗理论与数值模型基础上，验证 了 “超前预注浆 锚索网” 支护方案的合理性。新型 浆料有效提升了破碎段内围岩力学性能， 使围岩承载 能力极大提升， 锚索网的联合支护能有效控制破碎带 内变形。相较于原支护方案， 注浆后顶板最大移近量 下降至 160mm， 使破碎带内大变形得到有效控制。 （下转第 42 页 ） 名称参数值名称参数值 弹性模量 / （MPa ）2813垂直应力 / （MPa ）12 泊松比0.34水平应力 / （MPa ）16.78 密度 / （kg/m3）1250底部边界固定 内聚力 / （MPa ）1内摩擦角 / （ ）20 39 ChaoXing （上接第 39 页 ） 3 ）在锚索网支护中， 通过加固巷道肩部、 底角， 可有效控制顶板离层与巷帮塑性区向巷道内的挤压 变形。在提高巷帮围岩自身承载力基础上， 同时削弱 巷帮应力向顶、 底板围岩内转移。 参考文献 [1] 蒋仲安,王龙飞,张晋京,等.煤层注水对原煤孔隙及甲烷 吸脱附性能的影响[J].煤炭学报,2018,43 （10） 2780- 2788. 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[2] 谢军.孤岛综放面自然发火规律及其治理技术研究[J].煤 矿工程师， 2000，（3） 23- 24. [3] 鲜学福， 王宏图， 姜德义， 等. 我国煤矿矿井防灭火技术 研究综述[J].中国工程科学报，2001， 3 （12） 28- 29. 作者简介 邵光磊 （1984-） ， 男， 汉族，2006 年毕业于山东科技大学 机械电子工程学院测控技术与仪器专业， 本科学历， 现任兖 矿集团公司杨村煤矿通防科副科长兼技术主管。 （收稿日期 2020- 2- 6） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 42 ChaoXing