深部開采軟巖巷道過斷層圍巖控制技術(shù)

宋 浩

(山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè),山西 交城 030500)

隨著淺部煤炭資源的逐漸枯竭,越來(lái)越多的礦井進(jìn)入到深部區(qū)域回采,深部開采時(shí)受地應(yīng)力、瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造、軟巖、水等不利因素影響更趨明顯[1-2]。巷道掘進(jìn)揭露斷層概率及圍巖控制難度明顯增大,特別是軟巖巷道回采過斷層時(shí),如何實(shí)現(xiàn)巷道圍巖變形有效控制是深部開采巷道掘進(jìn)期間需要重點(diǎn)解決的問題[3-4]。為此,眾多的學(xué)者及技術(shù)人員對(duì)軟巖巷道過斷層圍巖控制技術(shù)展開研究,其中梅成成等[5]針對(duì)鑫匯礦-1070 m水平石門在斷層影響下出現(xiàn)的片幫、冒頂?shù)葐栴},提出通過超前管棚注漿、錨梁網(wǎng)噴、鋼支架以及長(zhǎng)錨索聯(lián)合支護(hù)方式,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后巷道頂?shù)装濉⑾飵妥冃瘟烤刂圃?50 mm以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了深部斷層影響區(qū)軟巖巷道圍巖變形的有效控制;周萌等[6]針對(duì)深部高應(yīng)力軟巖巷道掘進(jìn)過斷層期間面臨的圍巖破碎、地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力影響突出等問題,綜合理論分析、鉆孔窺視等技術(shù)手段分析巷道圍巖松動(dòng)破壞范圍,發(fā)現(xiàn)頂板、巷幫最大破壞深度可分別達(dá)到5.2 m、2.2 m,隨后提出綜合淺部錨桿注漿、深部錨索注漿以及錨索集中補(bǔ)強(qiáng)等手段控制圍巖變形,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得較好效果;梁日軍[7]針對(duì)馬道溝礦三采區(qū)軌道巷過F13斷層期間受頂?shù)装迤扑?、?gòu)造復(fù)雜、圍巖松軟等因素影響,導(dǎo)致巷道圍巖支護(hù)難度大,在通過FLAC3D軟件對(duì)原支護(hù)條件下圍巖穩(wěn)定性分析基礎(chǔ)上,提出通過25U型鋼強(qiáng)化斷層影響范圍內(nèi)頂板、巷幫支護(hù)強(qiáng)度,采用金屬網(wǎng)片、混凝土加固底板,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后有效降低了斷層影響區(qū)軌道巷圍巖變形量。上述研究成果為深部開采軟巖巷道過斷層圍巖控制工作提供了寶貴經(jīng)驗(yàn),但是不同礦井間的地質(zhì)條件、構(gòu)造分布等存在明顯差異,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件針對(duì)性地提出巷道圍巖控制技術(shù)措施。本文以山西某礦31303進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過F4-1、F4斷層為工程實(shí)例,對(duì)制約巷道掘進(jìn)過斷層期間導(dǎo)致圍巖破碎的主要問題進(jìn)行分析,并針對(duì)性給出圍巖控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了斷層影響區(qū)巷道圍巖變形的有效控制。

1 工程概況

山西某礦現(xiàn)階段生產(chǎn)集中在13號(hào)煤層,煤層埋深均值680 m,厚度均值3.0 m,傾角0°～8°,頂?shù)装鍘r性以泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等為主,頂?shù)装寰鶠榈湫偷能泿r。31303綜采工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1 980 m、傾斜長(zhǎng)度190 m,具體采面位置如圖1所示。31303進(jìn)風(fēng)巷采用綜掘方式掘進(jìn),設(shè)計(jì)為直墻半圓拱斷面,巷寬5 600 mm、巷高4 400 mm,巷道掘進(jìn)期間揭露有F4斷層(H=2.4 m,5°∠10～85°)、F4-1斷層(H=8 m,55°∠38～84°),預(yù)計(jì)斷層影響31303進(jìn)風(fēng)巷長(zhǎng)度為150 m,在斷層影響范圍內(nèi)巷道圍巖更為破碎。

圖1 采面位置示意

2 圍巖控制技術(shù)

31303進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過斷層期間面臨的主要問題有:

1) 31303進(jìn)風(fēng)巷頂?shù)装寰鶠槌休d能力較差的軟巖,在斷層影響下巷道圍巖更加破碎,承載能力差,導(dǎo)致過斷層期間圍巖變形控制難度高;

2) 回采的13號(hào)煤層埋深均值為680 m,煤層埋深大,地應(yīng)力影響顯著;

3) 在F4、F4-1斷層影響范圍構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育,原設(shè)計(jì)的錨桿索、工字鋼架棚等支護(hù)方式,由于支護(hù)強(qiáng)度低、錨桿索布置參數(shù)及長(zhǎng)度不合理等,無(wú)法實(shí)現(xiàn)圍巖變形有效控制。

因此,需要結(jié)合31303進(jìn)風(fēng)巷過F4、F4-1斷層實(shí)際情況,針對(duì)性地給出圍巖控制技術(shù)方案。結(jié)合礦井以往巷道過斷層影響范圍內(nèi)圍巖控制經(jīng)驗(yàn),提出采用錨網(wǎng)索噴+圍巖注漿+幫角和底板錨注方式控制圍巖,提高巷道圍巖整體穩(wěn)定性及強(qiáng)度,使得支護(hù)用錨網(wǎng)索與圍巖耦合,共同抵抗地應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)力等對(duì)圍巖變形的影響。

2.1 巷道過斷層圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1.1 錨網(wǎng)索耦合支護(hù)

31303進(jìn)風(fēng)巷過斷層影響范圍內(nèi)時(shí),采用短掘短支方式,巷道掘進(jìn)后及時(shí)噴射厚度為50 mm、強(qiáng)度C25混凝土封閉圍巖,減少水、空氣等對(duì)巷道的影響。采用高強(qiáng)預(yù)緊力錨桿(規(guī)格Φ22 mm×2 500 mm螺紋桿錨桿)對(duì)頂板及巷幫進(jìn)行支護(hù),布置間排距為800 mm×800 mm,使用1卷MSK2850+2卷MSZ2850樹脂錨固劑錨固,確保錨固力在100 kN以上,錨桿預(yù)先施加的扭矩在300 N·m以上;在進(jìn)風(fēng)巷拱部通過規(guī)格為Φ21.8 mm×9 200 mm的錨索強(qiáng)化支護(hù),布置間排距為1 200 mm×1 200 mm,錨索采用1卷MSK2850+3卷MSZ2850樹脂錨固劑錨固,端頭錨固強(qiáng)度在120 kN以上。鋼筋托梁使用Φ14 mm的鋼筋焊接制作,金屬網(wǎng)由Φ6 mm的鍍鋅鐵絲編制而成,網(wǎng)片規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm.支護(hù)完成后噴射厚度為100 mm、強(qiáng)度C25的混凝土。

2.1.2 圍巖注漿

在過斷層期間采用規(guī)格Φ20 mm×2 200 mm的無(wú)縫鋼管作為注漿管進(jìn)行壁后注漿,布置間排距為1 600 mm×1 600 mm.注漿漿液為水泥單液漿,水灰質(zhì)量比控制在(0.7～1.0)∶1,在漿液中按照水泥用量的2%摻加早強(qiáng)減水劑。注漿時(shí)將壓力控制在2 MPa左右。

2.1.3 底板及幫角錨注

進(jìn)風(fēng)巷底板使用錨注方式進(jìn)行加固,采用的注漿管為規(guī)格Φ20 mm×2 200 mm的無(wú)縫鋼管,按照1 600 mm×1 600 mm間排距布置;底板首先按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行挖底,隨后澆筑混凝土地坪,實(shí)現(xiàn)表層封閉,最后對(duì)底板進(jìn)行注漿,提高淺部破碎巖體承載能力及整體強(qiáng)度。

幫角位置則主要通過錨索進(jìn)行加固,采用的補(bǔ)強(qiáng)錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×6 200 mm的鋼絞線。

進(jìn)風(fēng)巷在過斷層期間圍巖支護(hù)斷面如圖2所示。

圖2 圍巖支護(hù)斷面(單位:mm)

2.2 圍巖控制效果

進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過F4、F4-1斷層時(shí)按照50 m間隔布置測(cè)點(diǎn)對(duì)圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè),具體獲取的圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖中看出,隨著支護(hù)時(shí)間不斷增加,進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形量及增加趨勢(shì)不斷降低,其中圍巖變形監(jiān)測(cè)至100 d時(shí)頂?shù)装?、巷幫平均變形量分別為166 mm、218 mm,圍巖變形收斂速度降至0.5 mm/d以下,變形基本趨于穩(wěn)定。由此說明,在進(jìn)風(fēng)巷過斷層期間采用的錨網(wǎng)索噴+圍巖注漿+幫角和底板錨注支護(hù)方式可實(shí)現(xiàn)深部軟巖巷道過斷層期間圍巖變形的有效控制,滿足巷道后續(xù)使用需要。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)31303進(jìn)風(fēng)巷過F4、F4-1斷層期間受埋深大(地應(yīng)力顯現(xiàn)明顯)、圍巖破碎、頂?shù)装鍨檐泿r以及構(gòu)造應(yīng)力等多因素影響導(dǎo)致的巷道圍巖變形量大、支護(hù)難度大以及圍巖變形控制效果不佳等問題,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,提出綜合采用錨網(wǎng)索噴+圍巖注漿+幫角和底板錨注支護(hù)方式支護(hù)圍巖,掘進(jìn)完成后及時(shí)進(jìn)行初噴、支護(hù)后及時(shí)進(jìn)行復(fù)噴,可及時(shí)封閉破碎圍巖、降低水及空氣對(duì)圍巖的風(fēng)化影響,同時(shí)提升支護(hù)體系與圍巖耦合的效果。通過圍巖注漿+幫角和底板錨注支護(hù)方式可提升破碎圍巖整體強(qiáng)度并對(duì)圍巖薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固,降低構(gòu)造應(yīng)力、地應(yīng)力等對(duì)圍巖變形的影響。

工程應(yīng)用表明,進(jìn)風(fēng)巷過斷層期間采用的圍巖支護(hù)方式可有效控制破碎軟巖變形,支護(hù)完成100 d后圍巖變形量基本趨于穩(wěn)定,其中頂?shù)装?、巷幫平均變形量分別為166 mm、218 mm,圍巖變形量較小,可滿足巷道后續(xù)使用需要。