复杂地质条件下的石门过断层群实用技术.pdf

第 3 1卷第 2期 2 0 1 0年 4月 建 井 技 术 M I NE CONSTRUCT1 0N TECHN0L0GY Vol I 31 NO． 2 Ap r ． 2 01 0 试 验研 究 复杂地质条件下的石门过断层群实用技术 方运 买 ， 江开尧 ， 王海涛。 ， 施建达 1安徽理工大学 ， 安徽 淮南 ， 2 3 2 0 0 1 ；2国投新集能源股份有限公司， 安徽 淮南 ， 2 3 2 0 0 1 摘 要 介绍 了通过 对 断层带进行 地 面预注 浆 ， 优化 石 门施 工 工 艺 ， 合 理选 择 支 护形 式及 支护参 数等 ， 保 证 石 门安全 顺利地 穿越 断层群 的经验 。 关键 词 断层群 ； 注浆 ； 石 门； 超前探 测 ； 矿 压监 测 中图分 类号 i T D 2 6 3 ． 4 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 2 6 0 2 9 2 0 1 0 0 2 0 0 2 6 0 3 国投新 集能源 股份有 限公 司板集 煤矿设 计生 产 能力 3 ． 0 Mt ／ a ， 立 井 开 拓 方 式 。根 据矿 井 初 步 设计 ， 矿井 一 7 3 5 m 回风石 门 、 一7 3 5 m 轨 道石 门和 主胶带机石门自东向西分别穿过 B F 3 4 落差 0 ～ 3 0 m， 倾 角 7 3 。 、 B F 3 3 落 差 0 ～5 0 m， 倾 角 7 3 。 、 F 5 1 2 落差 0 7 0 m， 倾角 7 8 。 3条断层， 沿石门走 向影 响长度 约 4 0 0 m； 预测石 门穿越 断层群 时遇 到 的将是 相 当破 碎 的 岩体 ， 会 给 掘进 和支 护 带来 一 定 困难 。同时 ， 根据 断层 断距 ， 可 以判定 该断层 群 应当断入太原群灰岩 内。这样一来 ， 若断层群 中 的各断层 是导水 的 ， 当石 门穿越该 断层群 时 ， 可能 会发 生突水 事 故 。 因此 ， 有必 要 对 各 断层 导 水性 及 断层群岩 体工 程 地 质性 质 进 行超 前 探 测研 究 ， 并在必 要 时进 行 预 注浆 ， 以保 证 石 门安 全 顺利 地 穿越断 层群 。 1 主石 门地质 及水 文地质 1 ． 1 地 质构造 主石 门位 于 一 向北 偏 东倾 斜 的单 斜构 造 内 ， 地层倾角约 5 。 。根据 三维物探及 Y Z 一 1钻孔资 料 ， 石 门 施 工 中， 将 自东 向西 穿 过 B F 3 4 、 B F 3 3 、 F 5 1 2断层 。 板集煤矿井 田自上而下有第 四系 4个含水 层 ， 3 个 隔水层 、 二 叠系 上石 盒 子组 和 下石 盒 子 组 、 石炭 系 1 2层 灰岩 、 奥 陶系和寒武 系地层 。 1 ． 2水 文地 质 根 据地层 含水 系 统 特征 ， 矿井 充 水 的直 接 水 收稿 日期 2 0 1 0 一 O 4 一 O 4 源为新生 界底 部含 水 层 、 煤 系 砂岩 裂 隙含 水 层 和 太 原组岩 溶含水 层 。 主石 门施工 中 ， 将 穿 过 5煤 ～ 1煤 之 间 的岩 层 ， 其 中包 含厚 层 中砂岩 及 细 砂 岩 。砂 岩 裂 隙发 育不均 ， 赋含一定的裂隙水。石 门距底板太原组 灰岩 较近 ， 且 有 断层 切 割 ； 因此 ， 太 原组 岩 溶水 也 是掘进 工作 面安全 的一大 威胁 。 2主石 门过 断层群 技术方 案及施 工工艺 按照“ 先地面后井下， 先区域后局部” 的总体 思路 ， 在地面施工钻孔 ， 对断层进行探测并进行注 浆充 填 ； 在井 下进 行 超 前 探 测 ， 优 化 掘进 施 工 工 艺。同时， 合理选择支护材料及支护参数等。 2 ． 1 断层群探 测研 究 2 ． 1 ． 1 探 测研 究 内容 探测研 究 内容 包 括 ① 断层 群影 响范 围 内的 岩体完整性 ； ②天然状态下的断层富水性 ， 亦即断 层在 无张应 力条 件 下 的含 水 性 ； ③太 原 群 灰 岩水 补给断层的可能性； ④断层群影响范 围内的岩体 可注性及 注浆 对岩体 强度 的改善 程度 。 2 ． 1 ． 2 探测研 究方 法 1 在勘探 钻孔施 工 中 ， 采取 断层带 和断层 影 响带岩心， 并测定其抗压强度 、 抗张强度 、 变形模 量和泊松 比， 然后结合 RQ D值 ， 对各断层带岩体 完整性 进行 评价 。 2 采用抽水试验、 水位恢复试验相结合的方 法来 确定 断层 带在天 然状态 下 的富水性 及渗透 系 第 2 期 方运买 ， 等 复杂地质 条件 下的石 门过断层群实用技术 2 7 数 。 3 根 据抽 水试 验 时太原 群 灰岩 的水 位反 应 ， 来 判 断太原 群灰 岩水 补 给断 层 的可 能性 。 4 对 断层带 进 行压 水试 验 ， 以确 定 断层带 张 应 力 的渗透 性 和可注 性 。 5 利 用钻孔 进 行注 浆 ， 一方 面起 到 对断层 带 预 封水 和加 固的作 用 ， 另 一 方 面 可利 用 注浆 量 和 压 力 的关 系及 注浆过 程 中非 注浆 孔 的水 位变 化 曲 线 ， 来估 计 断层群 岩 体 的可注 性 和强度 改 善程 度 。 2 ． 1 ． 3 探 测工作 量 1 钻 探工 程量 断 层 群 探 测 钻 孔 共 布 置 6 个 ， 即 YZ 一 2 和 YZ 一 3 孑 L 控制 B F 3 4断层 、 YZ 一 4和 YZ 一 5孔 控 制 F 5 1 2断 层 、 Y Z 一 6和 YZ 一 7孔 控 制 B F 3 3断层 。 由于 YZ 一 4孔 终 孔 后 出 现 了 塌 孔 事 故 ， 使 得 抽 水 试 验无 法进 行 ， 只能 重新 打孔 ， 以确保 完 成探 测任 务 ； 因 此 ， 实 际 施 工 了 7个 钻 孔 ， 钻 探 总 进 尺 6 01 3 ． 5 8m 。 2 水 文地 质试 验 共 进行 了 6次群 孔抽 水试 验 和 5次单 孔抽 水 试 验 ， 包 括 对 B F 3 4断层 进 行 的 2次 群 孔 抽 水 试 验 、 对 F 5 1 2断层 进行 的 1次群 孔抽 水 和 1 次 单孔 抽 水试 验 、 对 B F 3 3断层 进 行 的 1 次 群 孔抽水 和 1 次 单孔 抽水 试验 ， 以及 对 太 原群 灰 岩 进 行 的 2次 群 孔抽 水和 1 次 单孔 抽 水试 验 。 对 所 有 钻 孔 都 进 行 了 压 水 试 验 。 其 中 对 YZ 一 2 和 YZ 一 4孔 进 行 了 多段 压 力 压 水 试 验 ， 对 其 他 钻孔 只是 在 注浆前 进 行 了单 一压 力短 时压 水试 验 。 3 注 浆 利 用所 有钻 孑 L 对 断层带 和太 原 群灰 岩段 进行 了注浆 ， 注浆材料为单液水泥浆 ， 注浆压力为静水 压 力 的 2 ． 5 ～ 3 ． 0倍 。7个 钻 孔 共 注 浆 5 4次 ， 浆 液 注 入 量 累 计 为 6 3 9 9 ． 5 m。 ， 共 消 耗 水 泥 3 8 7 5 ． 7 t 。 其 中对 断 层 带 共 注 浆 4 1次 ， 浆 液 注 入 量 累计 为 5 0 1 3 ． 5 m。 ； 对 太原 群 灰 岩 段 共 注 浆 1 3 次 ， 浆 液注 入量 累计 为 1 3 8 6 m。 。 2 ． 2 井下超 前物探 和 钻探 石 门掘进 到距 断 层 3 0 m 处 时 ， 在 工 作 面 采 用 瞬变 电磁 法进 行 超 前 物 探 ， 进 一 步 探 明断 层 位 置 和富水 区域 。根 据 探 测 结 果 ， 确 定 石 门 掘 进 到距 断层 2 0 m 处 时 ， 在 工 作 面施 工 1 ～ 2个 超前 探 放 水钻 孔 。累计 进行 了 1 3次 超前 物 探 ， 共 施 工钻 孑 L 1 6个 ， 进尺 4 3 0 ． 6 m。 2 ． 3掘 进 施 工 工 艺优 化 大 断面巷 道 采 用锚 网 喷 支护 时 ， 传 统 的掘 砌 施工 工 艺为 交接 班 一 钻 眼 爆 破一 打点 柱 一 打锚 杆 眼 、 安 装 锚 杆 、 挂 网一 初 喷 一 出矸一 复 喷成 巷 ； 采用 架棚 喷射 混 凝 土 支 护 时 ， 传 统 的 掘砌 施 工 工 艺为 交 接班一 钻 眼爆 破一 移 前 探 梁一 按 中腰 线 上棚 梁 、 过顶一 栽 棚腿 、 腰 帮一 初喷 一 出矸一 复 喷 成巷 。 优 化后 的施 工工 艺 ， 是在 钻眼 爆破 前 ， 增 加 了 1道超 前支 护工 序 ， 目的是 防止 放 炮 后 冒顶 ； 同时 将初 喷工 序提 到 了打锚 杆 眼 、 安 装锚 杆 、 挂 网工序 之前 ， 目的是 增加 锚杆 垫板 与石 门围岩 密贴程 度 ， 提高 锚 杆 支 护 效 果 。超 前 支 护 使 用 长 2 ． 5 m 的 2 5 mm 螺纹 钢 ， 沿拱 基线 以上 的掘进 断 面 轮 廓线 布置 ， 间 距 3 0 0 ram， 外 露 5 0 0 mm 前 后 段 搭 接 长 度 。 2 ． 4支护 形式 及 支护参 数 的选择 每条 石 门都 设计 了锚 网 索 喷 和架 棚 U 型钢 棚 喷射 混凝 土 两 种 支 护形 式 ， 由生 产单 位 、 矿相 关 职能 部 门根据 现场 实 际情 况选用 。采用锚 网索 喷支 护 时 ， 应 比正常地 质 条件增 加 支护 强度 一是 将锚 索 长度 由 6 ． 3 m 增 加 到 8 ． 3 m， 并 在锚 索 托盘 上加 工 字钢 锚索 托梁 ， 将 锚索 连成 整体 ； 二是 将锚 杆 长度 由 2 ． 2 m 增加 到 2 ． 5 m。 2 ． 5断层 带二 次 注浆加 固 在 断层破 碎 带 地 段 ， 石 门松 动 圈 范 围 内 的 围 岩存 在 不 同程度 的变 形破 坏 现象 ， 而且 岩体 松散 ， 裂 隙率 大 ， 承载 能 力 显 著减 小 ； 因此 ， 最 佳 的 加 固 方 法是 增加 围岩 特 别是 松动 圈范 围 内 的岩 体 自 身 承载 能力 ， 以有效 抵抗 支 承压力 ， 防止石 门被 压 坏 。通 过 比较 ， 我 们 选 用 注水 泥 浆 液 的方 法 对 石 门围岩 进行 加 固 。 石 门全 部 为深 孔 注 浆 ， 用 3 2 mm 钎 头 打 眼 ， 眼深 2 ． 2 m。注 浆 孔 间 排 距 均 为 2 m， 注 浆 终 压 3 MP a 。锚 注施 工 在 耙 矸 机 后 方 进 行 ， 滞 后 耙 矸 机 不 超 过 3 0 m。锚 注 管 用 6分 焊 管 加 工 ， 前 端 压 扁 ， 留 出 浆 缝 。 前 端 出 浆 孔 距 前 端 不 大 于 2 0 0 mr n ； 后 端 留 出 4 0 0 mm 长 ， 端 头 车 丝 ； 中 间 出 浆 孔 排 距 2 0 0 mm， 每 排 4个 孔 ， 交 错 布 置 ， 孔 径5 mm。 3矿 压 监测 矿 压 监测 点 布 置 在 一7 3 5 m 水 平 回风 一 石 门 中 。在 回风一 石 门 内 ， 选 取 了 具 有 代表 性 的巷 帮 位移 测点 3个 ， 顶 板离 层测 点 2个 。其 中 ， 巷 帮位 移测 点 3位 于 B F 3 4断层 东边 8 m 处 ， 顶板 离 层测 2 8 建井技术 2 0 1 0年第 3 1 卷 点 2位 于 B F 3 3断层 西边 1 2 m 处 ， 这 2个 测点 距 位 于 B F 3 4断层东边 ， 距 该断层 8 8 m 以上 。 断层较 近 ； 巷 帮位移 测 点 1和 2 、 顶 板 离层 测 点 1 巷帮位 移测 点 1 ， 2 ， 3的观测数据 见表 1 。 表 1 巷 帮 位 移 观 测 数 据 从 表 1中可 以看 出 ， 测 点 1 ， 2处 的石 门变 形 量 较大 ， 测点 3处较 小 。测 点 1 处 为交 岔点 ， 变形 特 别严重 ； 测点 2 ， 3同处于 直巷段 ， 测点 3处 的石 门状况 明显 好 于测 点 2处 。在 观 测 记 录表 中 ， 相 同 的观 测 时 间 ， 测 点 3数 据 同 样 好 于 测 点 2 。 是 一 致 的 ， 说 明 测 点 3处 的 围 岩 状 况 优 于 测 点 2处 。 回风一 石 门顶 板离层 测点 深基 点深 6 m， 浅基 点深 2 ． 5 m。测点 1 位 于 B F 3 4断层东 边 1 3 9 m 处 ， 测 点 2 位 于 B F 3 3 断 层西边 1 2 m 处 。顶板 离层 测 回风 一石 门 的 支 护 形 式 和 支 护 参 数 整 条 石 门 点 1 ， 2的观测数 据见 表 2 。 表 2 顶板离层观测数据 由于测点 1观测 时 间较 长 ， 为 取 得 相 同条 件 下 的可 比性 ， 从 观 测 记 录 表 中选 取 测 点 1第 6 8 d 的总 离层量 8 9 ram 来进行 分析 。 通 过对 比测点 1 第 6 8 d和表 2中测点 2的观 测数据 可见 ， 测 点 2处 的顶 板状 况好 于测 点 1处 。 一 般情 况 下 ， 断层 附近 的围岩 比较破 碎 ， 巷 道 易产生变形破坏 ， 支护难度大。但根据上述对巷 帮位移和顶板离层观测数据的分析 ， 靠近断层处 的石 门状况 较 好 ， 变形 较 小 。说 明从 地 面 预先 对 大断层进 行注浆 加 固 ， 提 高围岩 强度 ， 取 得 了预期 效果 ， 为石 门安 全顺利 地通过 大 断层创造 了条件 。 4 结 语 由于施工方案科学合理， 措施正确， 板集煤矿 5条 主石 门在穿过 横 向展 布 范围达 4 0 0多 m 的断 层群 施 工 时 ， 安 全 顺利 ， 取 得 了预期 效果 ， 为 复 杂 地质 条件 下的大 断面巷 道施工 提供 了经验 。 作 者 简 介 方运买 1 9 7 1 - ， 男 ， 安徽寿县人 ， 高级 工程师 ， 安徽 理工大 学在读硕士研究生 。1 9 9 6年 7 月毕业 于安徽理工大学采 矿工程 专业 ， 曾获安徽省科学技术进步一等奖 1 项 ， 发表论文多篇。 上接 3 6 页 6施 工效果 井架加 工制 造 、 运 输 、 现场 组 装 吊装 ， 计 划 工 期 9 0 d 。现场作 业人 员包 括起 重 工 1 2人 、 机 修工 8人 、 电焊工 4人 、 电工 2人 。井架 加 工制 造 安排 在工厂内进行， 不 占用井 口空间。井架现场组装 吊装 计 划 工 期 5 0 d ， 实 际 3 3 d便 告 完 成 ， 提 前 了 1 7 d 。整个安装过程组织严密 ， 空 间、 时间利用合 理 ， 井 口占用 时 间 减 少 了 3 4 ， 为 其 他 工 程 施 工 创造 了条件。 作 者 简 介 朱 甲军 1 9 6 3 一 ， 男 ， 山东莱芜人， 工程师 。本科毕业 于山东 科技大学 自动化专业 ， 现任兖矿新 陆建设发展有限公 司副总工程 师 ， 已发表论文 5篇 。