辛置煤矿2-559-sub-1-_sub-巷道过断层支护技术研究_杨焱.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 对煤矿井下巷道围岩稳定性影响较大的地质构 造之一便是断层[1]， 断层的存在会改变巷道周边围 岩的应力分布状况[2]， 同时顶底板的围岩属性也可 能发生变化[3-4]， 给巷道的掘进以及支护带来极大挑 战[5]。 辛置煤矿 2- 5591巷道在掘进过程中揭露 F8 断 层， 该断层走向为 N67W， 倾向为 NW， 倾角处于 30～42， 落差达到了 6m， 属于逆断层。受断层影 响， 巷道顶板下沉明显， 淋水现象严重， 同时两帮出现 了一定程度的片帮， 工作人员的作业环境较差， 生命 安全得不到有效保障。 因此探明巷道在断层破碎带中 的破坏原因并对原支护方案进行相应优化， 成为了当 前矿井急需解决的首要任务。 1工程概况 辛置煤矿 2- 559 工作面主要对 2 煤层进行回 采， 该工作面埋深达到了 450m， 地表主要为农田以及 山丘沟壑。 其中 2- 5591巷道服务于 2- 559 工作面， 主 要用于进风、 行人、 运煤， 该巷为矩形巷道， 掘进总长 度为 1450m， 在掘进期间揭露 F8 断层， 断层与巷道间 的位置关系如图 1 所示。 图 1断层与巷道间位置关系示意图 2- 5591巷道净宽为 4m， 净高为 3.5m， 主要采用 锚网梁联合支护方式对其进行支护。 顶板每排布置 4 根锚杆， 间排距为 1000mm1000mm， 最外侧锚杆距 离巷帮 0.5m，锚杆型号为 φ202200mm 的左旋螺 纹钢高强锚杆。顶板锚索采用 φ17.86400mm的钢 绞线， 第一排在巷中布置一根， 第二排在距巷中心左 右两侧 1200mm 处分别布置一根， 依次循环， 排距为 1000mm， 帮 部 每 排 布 置 4 根 锚 杆 ， 间 排 距 为 800mm1000mm， 顶锚杆距离顶板 550mm， 巷道锚杆 （索 ） 进行布置时均垂直于巷道断面， 图 2 为该巷的断 面支护图。 辛置煤矿 2-5591巷道过断层支护技术研究 杨焱 （霍州煤电集团辛置煤矿 , 山西 霍州 031412 ） 摘要 辛置煤矿 2-5591巷道在掘进过程中揭露断层， 受断层影响顶板出现了淋水现象， 巷道围岩稳 定性急剧下降， 工作人员的生命安全得不到有效保障。本文采用现场钻探、 实验室测试以及瞬变电磁 法物探的方法对巷道在断层中的破坏原因进行了探究， 并在此基础上制定了相应的治理措施， 工程监 测结果表明在该治理措施治理下巷道围岩变形较小， 满足矿井的正常安全生产。 关键词 断层 ； 现场钻探 ； 实验室测试 ； 瞬变电磁法物探 ； 工程监测 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0153-03 Study on support technology of 2-5591roadway passing through fault in Xinzhi coal mine YANG Yan （Huozhou Coal-Electricity Group Company Xinzhi Coal Mine , Huozhou 031412 , China ） Abstract In Xinzhi coal mine 2-5591roadway, the fault was exposed in the process of excavation, the roof affected by the fault appeared water pouring phenomenon, the stability of the surrounding rock of the roadway declined sharply, and the life safety of the staff could not be effectively guaranteed. In this paper, field drilling, laboratory testing and transient electromagnetic geophysical s are used to ex- plore the causes of roadway damage in the fault, and on this basis, the corresponding control measures are ulated. The engineering monitoring results show that under the control of the control measures, the deation of roadway surrounding rock is relatively small, which meets the normal safety production of the mine. Key words fault ； Field drilling ； Laboratory testing ； Physical exploration of TEM ； Engineering monitoring 153 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 图 2巷道断面支护图 2现场及实验室测试 2.1顶底板围岩物理力学参数测试 2- 5591巷道受 F8 断层影响破坏严重， 为了探究 该巷的破坏原因， 在位于 F8 断层破碎带中的巷道段 打钻取芯 （位置如图 1 所示 ） ， 并将所取岩芯密封带回 实验室对其物理力学参数以及矿物成份进行测试， 其 中顶底板各岩层的物理力学参数测试结果如表 1 所 示。 表 1工作面顶底板围岩赋存情况及力学参数统计表 从表 1 中可以看出 2- 5591巷道的伪顶为 0.3m 厚的薄煤层， 直接顶为 2.4m厚的泥岩和 5.5m厚的砂 质泥岩， 老顶为 K8 中砂岩， 其中泥岩、 砂质泥岩和 2 煤 层 的 抗 压 强 度 分 别 为 17.7MPa、 22.8MPa 和 10.6MPa，直接底为泥岩，该岩层的抗压强度仅为 18.7MPa。 2.2围岩矿物成份测试 矿物成份是决定岩层物理力学的根本因素， 将所 取岩芯带回实验后通过 X 射线衍射实验对其围岩组 分进行了测试。 测试结果显示所取岩样含有较多的伊 利石、 蒙脱石以及高岭石， 伊利石和高岭石亲水性较 强，遇水易膨胀、崩解，布置于 F8 断层破碎带中 2- 5591巷道顶板存在淋水的现象， 加速了巷道顶板围 岩的破坏。 2.3瞬变电磁法物探 由于布置于 F8 断层破碎带中的 2- 5591巷道顶 板存在着淋水现象， 掌握该断层的富水性， 对于如何 控制巷道围岩具有重要意义。在 2- 5591巷道原取芯 处布置测站并采用坑透以及瞬变电磁法对其富水性 进行了测试，测试结果显示 F8 断层内部场强较小且 不稳定， 该断层存在着一定程度的富水性， 但富水性 整体偏弱， 断层影响巷道的掘进距离约为 85m。 2.4地应力测试 在 2- 5591巷道原取芯处共布置了两个地应力测 站， 使用地应力解除法对其地应力大小以及分布状况 进行了测试， 测试结果如表 2 所示。 表 2地应力测试结果 由表 2 数据可知， 两个测站所受的最大应力均为 水平应力， 分别达到了 18.65MPa 和 18.49MPa， 所对 应的侧压系数分被达到了 1.62 和 1.58，巷道受水平 构造应力影响比较明显， 这对锚杆、 锚索的支护提出 了较高要求。 3巷道破坏特征及原因 未揭露断层时， 2- 5591巷道在原有的支护方式下 围岩稳定性较好， 当巷道揭露 F8 断层时， 该巷的围岩 不稳定并发生破坏， 其破坏特征如下 1 ） 巷道顶板下沉明显， 同时淋水现象严重， 局部 地区的锚杆、 锚索出现了剪断。 2 ） 巷道围岩中的泥化物质在矿井水的作用下发 生了膨胀、 崩解以及软化， 加速了巷道围岩的破坏。 3 ） 巷道帮部发生了严重的片帮，特别是巷道两 帮的肩角处。 根据巷道的破坏特征以及现场、 实验室的测试结 果， 将破坏原因归结为如下几点 1 ） 2- 5591巷道的直接底和直接顶抗压强度偏 低， 且围岩内部含有较多的亲水性矿物， 在顶板淋水 的情况下， 巷道围岩易吸水软化。 2 ） 位于 F8 断层破碎带中的巷道段承受的最大 应力为水平应力， 而该巷原有支护强度偏低， 对巷道 围岩的控制效果较差。 3 ） 巷帮局部地段为煤层且强度偏低，对顶板上 岩石名称 密度 /g cm-3 层厚 /m 弹性模 量 /GPa 抗压强 度 /MPa 内摩擦 角 / 泊松比 K8 中砂岩2.955.74.3127.831.10.24 砂质泥岩2.355.53.8622.824.80.31 泥岩1.872.43.6217.728.60.35 煤层1.470.32.5510.625.90.32 泥岩2.844.33.4518.726.50.26 中砂岩2.655.75.826.226.70.24 序 号 测站 名称 埋深 /m 垂直 应力 /MPa 最大水平 应力 /MPa 最小水平 应力 /MPa 最大水平 应力方向 侧压 系数 1测站 1450m11.318.6515.6N13.8W1.65 2测站 2452m11.718.4914.3N42.4W1.58 154 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 覆岩层的承载能力有限， 在较大的支撑压力下易发生 片帮。 4支护方案优化 根据现场和试验室测试所得的数据， 以及巷道变 形破坏原因分析结果， 对接下来的过断层破碎带段巷 道采取以下治理措施。 1 ）在原支护方案的基础上对帮部锚杆进行更 换， 改用 φ222500mm 的左旋螺纹钢高强锚杆。 由 于直接顶整体强度较低且易吸水软化，故需要对其 采取注浆措施， 以补强顶板浅层围岩， 因此顶板锚杆 改用为注浆锚杆， 直径为 30mm， 长度为 2500mm， 注 浆材料选用 425 普通硅酸盐水泥， 考虑到结石体的 强度、 浆液的凝结时间以及可泵程度， 将水灰比设为 0.61， 由于直接顶强度偏低， 故注浆压力不宜过大， 可将其设为 2.8MPa。顶板和帮部锚杆的间距不变， 排距缩减至 900mm。顶板锚索在原方案的支护基础 上采用 φ21.67000mm 的预应力钢绞线， 排距缩减 至 900mm。 2 ）为了将顶板深部的水引流到巷道底板水沟， 在巷道顶板距左右两帮 1m 处分别布置一根直径为 35mm， 长度为 8000mm的导水管， 导水钻孔均垂直于 巷道顶板施工。 支护方案优化后的巷道断面支护如图 3 所示 图 3优化后的巷道断面支护图 5工程监测 支护优化方案实施后，在 2- 5591巷道中选取合 适的位置布置测站 （如图 1 ） 并对其围岩变形进行了 为期一个月的现场监测， 巷道围岩变形随监测时间的 变化曲线如图 4 所示。 从图 4 中可以看出在对巷道进行治理前， 两帮移 近量达到了 227mm， 顶底板收敛量达到了 327mm， 巷 道围岩破坏严重，在对其进行治理后两帮移近量、 顶 底板收敛量分别下降至 37mm 和 56mm， 巷道围岩稳 定性显著提高。 图 4巷道围岩变形随监测时间的变化曲线 6结论 1 ）F8 断层富水性较弱， 2- 5591巷道揭露 F8 断 层时， 受水平构造应力明显， 直接顶、 直接底以及帮 部围岩强度偏低， 由于其顶板存在淋水现象， 巷道围 岩易吸水软化， 加之该巷支护强度不足， 在上述因素 的共同作用下围岩变形严重。 2 ）针对巷道变形破坏的原因，本文针对性的提 出加大支护强度 顶板注浆 预埋导水管的治理措 施对该巷进行治理， 工程监测结果显示在该治理措施 治理下巷道围岩稳定性得到了大幅提高。 参考文献 [1] 姜耀东， 赵毅鑫.我国煤矿冲击地压的研究现状 机制、 预 警与控制 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2015， 34 11） 2188－2204. 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