长平公司二盘区胶轮车大巷过断层围岩控制技术研究_王三红.pdf

长平公司二盘区胶轮车大巷过断层围岩控制技术研究 王 三 红 （晋煤集团长平公司 ， 山西 晋城 048400 ） 摘要 为研究巷道掘进工作面过断层方案及围岩控制技术效果，以长平公司二盘区胶轮车大巷掘 进为背景， 通过数值模拟并结合现场围岩变形实测的方式， 得出超前注浆加固巷道围岩， 再套拱形棚 补强顶板支护， 并补充原基础支护综合过断层措施。 结果表明 采用的围岩控制措施后， 能够保证掘进 工作面顺利通过断层及后期工作面安全高效的回采。 关键词 掘进工作面 ； 围岩控制 ； 过断层 ； 围岩变形 中图分类号 TD353文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0145-03 Study on Surrounding Rock Control Technology of 18506 Large Mining Height Working Face in Fault Debris Zone in Malan WANG Sanhong （Jin Coal Group Changping Co., Ltd. , Shanxi Jincheng 048400 ） Abstract In order to study the effect of roadway tunneling face fault and surrounding rock control technology, taking the roadway of the rubber road of Changping Company in the second panel as the background, through numerical simulation and combined with the actual deation of the surrounding rock, the advanced grouting is obtained. The surrounding rock of the roadway is reinforced, and the arched roof is used to reinforce the roof support, and the original foundation support is integrated with the fault measures. The results show that after the surrounding rock control and control measures are adopted, it can ensure that the driving face passes through the fault and the safe and efficient recovery of the later working face. Key words Tunneling face ; surrounding rock control ; Through fault ; Surrounding rock deation 1工程概况 晋煤集团长平公司目前主采 3 煤， 3 煤层厚 5.62m， 中间有 0.23m 的夹矸， 垂直节理发育， 条带 状结构， 夹矸为泥岩煤层倾角 4～7， 平均 5， 属 近水平煤层。目前由该矿矿建五队进行二盘区胶轮 车大巷的掘进作业， 巷道净宽 5.4m， 净高 3.8m， 采 用高强度锚杆、 W 钢护板、 锚索、 金属网、 联合支护。 巷道掘进到 45m 处时， 巷道揭露断层扩 SF32 正断层 延伸段， 该断层走向 54， 倾向 144， 倾角 85， 断距 12m。该断层对掘进作业影响程度极大。 2围岩破坏特征分析 2.1断层围岩的数值模拟 根据长平公司二盘区胶轮车大巷上覆岩层的 物理力学参数， 同时借鉴类似情况掘进工作面过断 层的经验[1-2]， 通过 Flac3D 软件建立二盘区胶轮车大 巷连续掘进模型研究断层对二盘区胶轮车大巷掘 进过程中围岩变形破坏特性的影响， 二盘区胶轮车 大巷设计断面形状为半圆拱形，巷道设计净宽 5.4m， 净高 3.8m。建立的模型高为 50m， 宽为 50m， 长为 70m，且在模型底部边界及四周施加位移约 束， 模型上覆施加的载荷为 。 2.2推进方案 数值模拟中二盘区胶轮车大巷掘进工作面分 3 步开挖 60m。第一步掘进工作面开挖 15m， 距 SF32 断层约 15m； 第二步掘进工作面开挖 30m， 此时掘进 工作面到达断层处；第三步掘进工作面开挖 60m， 此时掘进工作面推过断层约 18m。 2.3数值模拟结果分析 模型的初始应力平衡后， 分 3 个阶段对模型开 挖， 模拟巷道通过断层前， 通过断层时及通过断层 后的围岩塑性区分布特征和应力变化特征。 （a） 水平应力云图（b） 垂直应力云图 （c） 断面塑性区范围 图 1掘进工作面开挖 15m 时围岩应力及塑性区云图 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 145 ChaoXing 掘进工作面开挖 15m 时围岩应力及塑性区云 图如图 1 所示， 此时巷道距 SF32 断层还有 15m。观 察图 1 （a ） 和 （b） 可以发现巷道顶底板出现了应力集 中系数为 1.25 的水平应力集中区； 在巷道两帮出现 了应力集中系数为 1.63 的垂直应力集中区。 在此应 力影响下，巷道产生的塑性破坏区域如图 1（c ） 所 示， 如图所示顶板的塑性区范围约 1m， 巷道两帮的 塑性区范围的最大值约 2m，底板的塑性区范围约 1.5m。在这一阶段， 巷道的围岩活动不受到断层破 碎带的影响， 即巷道处于 SF32 断层的影响范围外。 （a） 水平应力云图（b） 垂直应力云图 （c） 断面塑性区范围 图 2掘进工作面开挖 30m 时围岩应力及塑性区云图 图 2 为掘进工作面开挖 30m 遭遇 SF32 断层时 围岩应力及塑性区云图。观察图 2 （a ） 和 （b） 可以发 现受断层影响， 巷道顶板的水平应力集中区范围明 显扩大且应力集中系数升高到 1.46， 但是巷道两帮 的垂直应力集中区消失，即巷道不存在垂直应力。 观察图 2 （c ） 发现巷道在揭露 SF32 断层时， 巷道两 帮的塑性区范围增加至 6m 左右，巷道底板破坏严 重， 底板的塑性区范围增大至 4m。因此在巷道掘进 通过 SF32 断层时需要进行补强支护，以保证巷道 的正常安全掘进。 掘进工作面开挖 60m 时围岩应力及塑性区云 图如图 3 所示，此时巷道掘进面推过 SF32 断层约 18m。观察图 3 （a ） 和 （b） 可以发现巷道掘进工作面 在推过断层后， 巷道顶底板出现了水平应力集中现 象， 并且距离断层越远， 巷道所受垂直应力越大， 在 断层中间的位置上所受垂直应力较小。掘进工作面 推过断层后， 巷道塑性区范围与开挖 15m 时基本相 同， 巷道围岩活动只受掘进影响。 综上， 巷道掘进工作面在接露 SF32 断层时破碎 带附近时，巷道两帮的塑性区范围增加至 6m 左右， 约为未遭遇断层时的 3 倍； 巷道底板破坏严重且底板 的塑性区范围增大至 4m，约为未遭遇断层时的 2.6 倍。因此在巷道掘进通过 SF32 断层时需要进行补强 支护来控制围岩变形， 以保证巷道的正常安全掘进。 （b） 水平应力云图（b） 垂直应力云图 （c） 断面塑性区范围 图 3掘进工作面开挖 60m 时围岩应力及塑性区云图 3过断层围岩控制技术及效果 二盘区胶轮车大巷掘进过断层时，受 SF32 断 层破碎带的影响， 需要进行巷道补强支护。初步设 计为超前注浆加固巷道围岩， 再套拱形棚补强顶板 支护， 并补充原基础支护的围岩控制措施。 3.1超前注浆加固[3] 在二盘区胶轮车大巷巷道掘进超前注浆的施 工中， 注浆浆液选取该矿应用过的材料及配比， 考虑 锚杆排距及注浆加固后架设 U 型棚的排拒，设计注 浆孔的排拒为 1600m， 深度为 5500mm， 并且在布置 注浆孔时应使两个注浆孔内注浆时， 浆液的渗透距离 有一定的重叠。 具体注浆孔的布置如图 4 所示。 考虑 到巷道日掘进量为 4m， 断层断距 12m， 因此设计超前 注浆加固的范围为 5m，注浆加固的总长度为 15m。 超前注浆在巷道安全通过断层后即停止施工。 图 4巷道超前注浆注浆孔布置示意图 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 146 ChaoXing 根据二盘区胶轮车大巷超前注浆过 SF32 断层 现场施工情况，综合考虑实际影响因素，选用长 5000mm， 外径为 40mm， 内径为 36mm 的注浆管， 每 根注浆管端头安装一个球形阀用于连接注浆管路 并控制浆液进出注浆管，注浆管端头 1500mm 后布 置 6 个孔径为 10mm 的钻孔。现场应用锚杆钻机进 行注浆孔的钻孔施工， 注浆孔的孔口用棉纱及树脂 锚固剂进行封孔。巷道超前注浆的工艺流程为 ① 注浆材料的准备 将注浆泵、 润滑油、 高压软管、 U 形卡、 球阀、 三通、 注浆材料等运送至注浆施工地 点， 并检查注浆泵能否正常工作。②连接高压软管 与注浆泵 将吸液管与注浆泵连接后， 分别放入相 应的浆液中， 将高压软管与注浆泵连接， 并将管路 铺送至注浆孔附近。③检查球阀 检查注浆管端头 球阀和三通处的球阀是否完好。④准备注浆 将三 通与注浆管连接， 开启球阀后启动注浆泵进行注浆 作业。⑤清洗管路 每个注浆孔注浆完成后， 为防止 浆液在管路内凝固堵死， 将吸液管放入清水中， 开启 注浆泵， 清洗管路内的浆液， 高压软管另一端冲出清 水后关闭注浆泵。⑥注浆过程中要观察浆泵的压力 及注浆孔周围的漏浆情况， 及时进行封堵， 现场施 工中发现问题及时调整， 记录注浆过程中每个注浆 孔的材料消耗量。 3.2套拱形棚补强 待巷道超前注浆加固稳定后， 进行巷道过断层 的掘进作业， 并套拱形棚补强顶板支护来保证巷道 掘进顺利的通过 SF32 断层，需要套拱形棚补强顶 板支护的长度为 15m。具体工艺流程为 架设临时 支护后进行敲帮问顶，确认安全后 4 人同时挖柱 窝， 并平整柱窝， 随后将拱形棚的棚腿竖起并用双 股的 10 号铁丝进行固定； 将拱形棚抬入工作面， 将 拱形棚的腿和拱形棚的梁扣合固定， 用拉杆联锁棚 腿及棚梁从而稳固顶梁。为了保证拱形棚的稳定 性， 须用双股 10 号铁丝将顶网与棚梁相连。背板、 板梁间距为 1.5m （背顶时， 距巷道中心线 550mm 处 开始进行背顶， 即巷道中心线两侧各两处； 背帮时， 从底板向上 500mm 处开始进行背帮，每帮背 3 处， 间距 1.5m ） ， 误差不超过 200mm。现场施工过程中， 若采用顶四帮三无法将棚背紧、 背实， 则在适当的 位置增加相应数量的板梁及背板将棚背实。 3.3围岩控制效果 二盘区胶轮车大巷掘进过 SF32 断层时采用超 前注浆加固巷道围岩，再套拱形棚补强顶板支护， 并补充原基础支护的围岩控制措施后， 顺利通过该 断层， 并且在过断层后对断层中部巷道的围岩变形 规律进行实测， 结果如图 5 所示。 图 5断层中部巷道围岩变形规律 观察图 5 可以发现在巷道通过 SF32 断层 20 天内，断层中部巷道围岩表面位移量增势较猛， 过 断层 20 天后逐渐放缓并趋于稳定。巷道趋于稳定 后，最终两帮移近量约 150mm，顶底板移近量约 190mm， 巷道的变形量控制在允许范围内， 表明围岩 控制效果良好。在巷道刚通过断层时巷道两帮移近 速度约为 12mm/d， 顶底板移近速率为 15mm/d， 随时 间的推移， 巷道围岩的变形速率逐渐减小， 在两个 月左右时稳定在 0.1mm/d， 巷道处于稳定状态。 4结论 1） 通过 Flac3D 软件建立二盘区胶轮车大巷连 续掘进模型研究断层该大巷掘进过程中围岩变形 破坏特性的影响发现巷道掘进工作面在接露 SF32 断层时破碎带附近时， 巷道底板破坏范围约为未遭 遇断层时的 2.6 倍；巷道两帮的塑性区范围约为未 遭遇断层时的 3 倍且顶板破坏范围较大。 2） 在采取超前注浆加固巷道围岩， 再套拱形棚 补强顶板支护， 并补充原基础支护的围岩控制措施 后， 掘进工作面顺利通过 SF32 断层， 并且巷道在通 过断层并趋于稳定后， 最终的巷道变形量控制在允 许范围内， 保证了掘进工作面顺利通过断层及后期 工作面安全高效的回采。 参考文献 [1] 张睿.掘进工作面超前注浆加固技术应用[J].能源与节能, 2018 （12） 111- 113. [2] 王平.掘进巷道过断层综合技术措施研究[J].机电信息, 2011 （33） 130- 131. [3] 宋新安,彭庆存,葛民昱.浅谈煤巷掘进过断层方法[J].山 东煤炭科技,2011 （04） 156- 157. 作者简介 王三红 （1985-） ， 男， 山西陵川人， 2012 年 1 月毕业于河 南理工大学采矿工程专业， 本科， 助理工程师， 现从事煤矿掘 进技术管理工作。（收稿日期 2019- 5- 5） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 147 ChaoXing