巷道過(guò)斷層破碎帶掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)研究

楊旭東

(山西陽(yáng)煤集團(tuán)碾溝煤業(yè)公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

引言

在掘進(jìn)前期對(duì)巷道進(jìn)行超前加固，適時(shí)實(shí)施錨網(wǎng)噴和注漿加固，構(gòu)成錨固與注漿加固的動(dòng)態(tài)迭加耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效地控制了巷道圍巖變形情況。

1 巷道破壞機(jī)理

對(duì)于巷道掘進(jìn)工程而言，它是一個(gè)較為系統(tǒng)的工程項(xiàng)目，其中影響掘進(jìn)施工的條件有很多，包括工作人員、監(jiān)管水平、科技、安全、裝備體系、施工技藝和地質(zhì)構(gòu)造等各方面不同的條件所構(gòu)成的繁雜的工程體系。特別地，當(dāng)遭到斷層時(shí)，圍巖破碎面積大、巖體承受能力低，掘進(jìn)時(shí)礦壓將更為突出；進(jìn)而提高巷道過(guò)斷層掘進(jìn)的難度系數(shù)，同時(shí)效率也會(huì)明顯降低；而這時(shí)倘若還沒(méi)能夠運(yùn)用相關(guān)技術(shù)保障措施，則極易引發(fā)圍巖掉落等相關(guān)事故。斷層的切割方式是把一個(gè)整體連接的板式，分割成許多個(gè)破碎的板塊。將斷層切割的臨界當(dāng)作為支梁，當(dāng)支梁邊界離開(kāi)了其周?chē)氖`，就會(huì)容易失掉傳遞力的影響。將工作面推入到斷層區(qū)中，尤其是支撐壓力高峰區(qū)和斷層線應(yīng)力區(qū)的重疊區(qū)域，就更可能引發(fā)劇烈的礦壓等系列的問(wèn)題現(xiàn)象，最終導(dǎo)致巷道防護(hù)困難。

2 巷道過(guò)斷層掘進(jìn)的主要影響因素

(一)巷道突變和損壞與煤礦挖掘的深度有很大關(guān)系。隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，煤礦企業(yè)的相關(guān)設(shè)備也逐漸自動(dòng)化，開(kāi)采技術(shù)也變得更為先進(jìn)了，受到這些技術(shù)裝備的影響作用，致使煤礦巷道開(kāi)采的深度在不斷加深。伴隨著巷道開(kāi)采深度的增加，相應(yīng)的承受應(yīng)力也在不斷擴(kuò)大，這就大大提高了巷道突變和損壞等問(wèn)題出現(xiàn)幾率。與此同時(shí)，隨著巷道開(kāi)采深度的增加，巖層溫度也會(huì)逐漸提升，在高溫的情況下煤巖層的性質(zhì)也會(huì)得到相應(yīng)的改變，經(jīng)由低溫中的脆弱性而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷刂械乃茉煨裕@樣更加大了巷道突變和損壞的可能。(二)巷道突變和損壞與煤礦的地質(zhì)結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。由于煤礦的地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況各不相同，在掘進(jìn)期間，倘若遭到特別的巖層紋理，例如節(jié)理發(fā)展裂隙很大，這樣就會(huì)導(dǎo)致斷層損壞損的結(jié)果出現(xiàn)，在這期間巷道的防護(hù)難度大大提升。同時(shí)由于巖層地應(yīng)力的不同也會(huì)影響巷道突變或損壞等問(wèn)題的發(fā)生，例如致使巖體位置發(fā)生移動(dòng)、支架出現(xiàn)扭曲變形等嚴(yán)重問(wèn)題。(三)巷道突變和巖體間隙中的水壓及熱壓有很大關(guān)系。在煤巖層中的間隙中含有相應(yīng)定量的水，這些水在相對(duì)靜止畫(huà)面中顯示為靜水壓力，在相對(duì)流動(dòng)畫(huà)面中顯示為動(dòng)水壓力。但是伴隨著煤礦的不斷開(kāi)掘，煤層巖體出現(xiàn)一定程度的損壞，則巖體間隙中的水也會(huì)出現(xiàn)與之相應(yīng)的變化，水的壓力也會(huì)遭到破壞，進(jìn)而引發(fā)巖體上所承受的重量發(fā)生改變，導(dǎo)致巷道突變。(四)巷道突變和損壞與防護(hù)方式有一定關(guān)系。為了避免巷道突變和損壞，一般會(huì)利用防護(hù)技術(shù)實(shí)施安全防護(hù)，比如傳統(tǒng)的防護(hù)方式有型鋼防護(hù)、錨支防護(hù)、混凝土防護(hù)、錨網(wǎng)防護(hù)等，不同的防護(hù)技術(shù)也會(huì)對(duì)巷道突變和損壞帶來(lái)一定的影響。

3 巷道過(guò)斷層破碎帶掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)研究

3.1 超前管棚預(yù)加固技術(shù)

根據(jù)巷道開(kāi)掘的相關(guān)設(shè)計(jì)來(lái)安置超前鉆孔，在超前鉆孔中裝置超前管道。在噴漿關(guān)閉之后，再進(jìn)一步運(yùn)用超前管棚實(shí)施注漿加層。在最終形成的超前管道結(jié)構(gòu)修護(hù)下再對(duì)巷道的挖掘和防護(hù)進(jìn)行相關(guān)早操作，進(jìn)而預(yù)防可能會(huì)發(fā)生的頂板垮落等情況。超前管道實(shí)施操作主要采取規(guī)格為Φ60mm的鋼管材質(zhì)，管道長(zhǎng)度和拼接長(zhǎng)度分別為30m、3.0m，而管道之間的距離為500mm。管道前身安置許多規(guī)格為Φ8～12mm的溢漿孔，各個(gè)漿孔要依據(jù)梅花形狀羅列開(kāi)來(lái)，并把管道加工成錐形再將其進(jìn)行焊接操作。要在巖層破損嚴(yán)重的區(qū)域中，對(duì)超前管道加層穩(wěn)固后，還要再利用超前小導(dǎo)管實(shí)施預(yù)加固操作工作，最終提升巖層的承載力。在施工操作期間，當(dāng)鉆孔中有水滲透出來(lái)時(shí)，要采用單液水泥進(jìn)行注漿操作，若鉆孔中沒(méi)有水滲透出或是滲透出水很小時(shí)，就采用雙液水泥實(shí)施相關(guān)注漿操作。

3.2 二次注漿加固

為了確保巷道巖層結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)久穩(wěn)固性能，在實(shí)施操作錨網(wǎng)噴防護(hù)后，還要再次進(jìn)行注漿加層操作工作。而再次的注漿加層主要運(yùn)用低壓淺孔注漿方式來(lái)操作的，一般低壓淺孔注漿管選取規(guī)格為Φ38mm×1000mm模式的鋼注漿管，而打眼的孔距、孔深和間列為Φ45mm、2500mm和1600mm×1200mm。在實(shí)際操作期間，運(yùn)用的獨(dú)液水泥-水玻璃漿液實(shí)施注漿操作，水玻璃和水泥的配比是1：20，將注漿壓力掌控在1.5～2.0MPa范圍之內(nèi)。為確保噴層最終可以完成凝結(jié)任務(wù)，需要開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督工作，確保漿液結(jié)石率≥92%。

3.3 U型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)

對(duì)于U型鋼具而言，其具有強(qiáng)度高、完整度好、重量小等特點(diǎn)。如果以某一企業(yè)煤礦地質(zhì)條件為根本，運(yùn)用U29型鋼實(shí)施斷層破損帶防護(hù)，間距為700mm，這樣的間距既可以確保工作的安全，又能夠節(jié)約鋼材的數(shù)量，并且也能和巷道規(guī)格循環(huán)相一致，從而確保施工進(jìn)度。U29型鋼和鋼筋網(wǎng)操作完成后，實(shí)施初次噴混凝土任務(wù)，然后，再操作搭建一層鋼筋網(wǎng)，實(shí)施二次噴射混凝土任務(wù)，需要注意的是二次混凝土厚度為50mm。

3.4 壁后充填注漿加固

操作完以上兩道防護(hù)任務(wù)后，要及時(shí)實(shí)施第三道防護(hù)操作，也就是對(duì)巖層注漿加固任務(wù)。在一次、二次防護(hù)工作完成后，要馬上實(shí)施注漿加層和壁封填補(bǔ)等相關(guān)工作，從而使巖層中的結(jié)構(gòu)部位受力均勻，防止發(fā)生因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的損壞。而這道防護(hù)模式能夠提高U29型鋼和鋼筋混凝土所能承受的力量，從而增強(qiáng)其防護(hù)性能。

3.5 斷層被揭露的征兆

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)分析，斷層面所表現(xiàn)的特點(diǎn)主要有：(1)煤層與底板裂縫變化巨大；(2)煤層與底板的高度發(fā)生劇烈變化；(3)煤的強(qiáng)度逐漸在減少；(4)煤層的產(chǎn)狀出現(xiàn)很大改變。

3.6 巷道過(guò)斷層的要求

如果巷道掘進(jìn)期間遭遇到斷層，第一需要掌握其位置、屬性和差異；第二再制定科學(xué)的施工技術(shù)和操作方法，需要遵守如下要求：(1)簡(jiǎn)化生產(chǎn)和運(yùn)輸步驟，開(kāi)創(chuàng)過(guò)斷層模式；(2)完善巷道安裝，降低煤炭資源丟失；(3)減少掘進(jìn)概率，避免出現(xiàn)無(wú)規(guī)則進(jìn)尺；(4)設(shè)計(jì)一些相關(guān)的安全生產(chǎn)的技術(shù)防護(hù)工作。

3.7 支護(hù)效果分析

想知道這種方法的實(shí)際防護(hù)功效，可以運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)U29鋼支架進(jìn)行科學(xué)分析掌控，其分析結(jié)果如下：U29鋼所承受的彎矩和軸力分散較為勻稱(chēng)，彎矩和軸力都是沿巷道斷面軸向以對(duì)稱(chēng)狀態(tài)進(jìn)行安排的，這就說(shuō)明U29鋼能夠達(dá)到比較好的承重效果；U29鋼剪力發(fā)生單一應(yīng)力集中的問(wèn)題，這歸于正常，因?yàn)殡y以避免的會(huì)有一些巖層的原始裂縫又或是再生裂縫在巖層之間發(fā)生增加擴(kuò)展，使防護(hù)結(jié)構(gòu)的一些部位發(fā)生應(yīng)力聚集的現(xiàn)象。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，得出以下結(jié)論：(1)分析了巷道破壞機(jī)理，斷層的切割解除了巖層周邊的約束，失去了傳遞力的作用，當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層區(qū)域，容易造成應(yīng)力集中，發(fā)生礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，造成巷道支護(hù)困難。(2)掘進(jìn)至斷層破壞區(qū)域，采用預(yù)注漿、錨網(wǎng)索及架U型鋼棚對(duì)巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，分別設(shè)計(jì)了注漿孔參數(shù)、水泥單漿注漿液配比、注漿總量、錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)、U型鋼棚支護(hù)參數(shù)。