巷道过断层段围岩稳定性分析及支护技术研究_霍卫星.pdf

巷道过断层段围岩稳定性分析及支护技术研究 霍卫星 （霍州煤电集团辛置煤矿 ，山西 霍州 031412 ） 摘要 为解决 2- 208 运输顺槽过断层段围岩变形量大的问题，通过分析 2- 208 运输顺槽过断层巷 道围岩变形的具体情况及断层对围岩稳定性的影响， 提出采用 U 型棚 喷浆 注浆的支护方式控制 巷道过断层区域的围岩变形量， 并进行矿压观测。结果表明 巷道过断层段在采用 U型棚 喷浆 注 浆的支护方式后， 顶底板的最大移近量为 196mm， 两帮的最大移近量为 157mm， 有效的控制了巷道围 岩变形量。 关键词 断层 ； 围岩变形 ； 注浆加固 ； 围岩控制 中图分类号 TD712.6文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 03- 0007- 03 Studyon stabilityanalysis and support technologyofsurroundingrock in roadwayover fault section HUOWeixing （Huozhou Coal- ElectricityGroup CompanyXinzhi Coal Mine ， Shanxi Huozhou 031412 ） Abstract In order tosolve the problemoflarge deation ofsurroundingrock in the 2- 208 transportation section, the U- shaped U- shaped is proposed byanalyzingthe concrete deation ofthe surroundingrock in the 2- 208 transportation through- fault roadwayand the influence of the fault on the surrounding rock stability. The supporting of shed shotcreting grouting controls the deation of surrounding rock in the roadwaythrough the fault zone, and conducts mine pressure observation. The results showthat after the U- shaped shed shotcret- ing grouting support mode is adopted, the maximum moving amount of the top and bottom plates is 196mm, and the maximum moving amount ofthe twogangs is 157mm, which effectivelycontrols the roadwaysurrounding. Rock deation. Key words Fault ; Surroundingrock deation ; Groutingreinforcement ; The surroundingrock control 0引言 由于我国煤矿地质条件复杂，巷道受到各种地 质构造的影响， 在巷道掘进过断层区域由于围岩条件 较差， 巷道的支护上存在着难支护、 成本高、 危险性大 等问题， 这便严重的影响着巷道的掘进速度， 针对断 层构造对巷道的影响，国内外学者展开了大量研究， 如尹立明、 郭惟嘉等学者[1]通过运用 ANSYS 数值模 拟软件结合相似模拟试验的研究方法， 分析了回采动 压影响下断层区域上覆岩层的变形破坏特点及矿压 分布规律， 根据研究结果表明 回采动压影响下， 断层 会活化， 断层区域内的上覆岩体表现为顶板冒落高度 达、 周期断裂步距小及顶板稳定性差的特点； 如王玉 珏， 王元明等人[2]通过运用现场实践观测的方法对 巷道围岩应力分布状态与断层破碎带产状之间的关 系进行定量分析， 为巷道过断层区域的的支护形式提 供了合理可靠的参考。 本文主要通过分析断层对巷道 围岩稳定性的影响，并结合 2- 208 工作面运输巷变 形的具体情况， 对巷道过断层区域的支护方案进行具 体设计， 并进行矿压观测验证支护效果。 1工程概况 某矿 2- 208 工作面位于二采区， 主采 2 煤层， 煤层均厚 4.1m，煤层上方直接顶为泥岩，均厚为 3.0m， 基本顶为细砂岩， 均厚为 7.2m， 直接底为泥 岩 ， 均 厚 为 4.5m， 老 底 为 中 砂 岩 ， 均 厚 为 6.5m， 2- 208 工作面运输巷沿 2 煤层掘进，据相邻 巷道揭露及三维地震资料显示工作面范围内 F1162 断层横穿工作面，其在工作面内延伸的长度 约为 320m， 断层的落差为 7m， 倾角为 60， 运输顺 槽在掘进过程中会揭露该断层。巷道原本设计在掘 进过断层时采用的支护形式为 U 型棚支护， 棚距为 650mm， 棚腿与底板间的夹角为 85， 具体支护参 数如图 1 所示，在巷道当掘进至该断层位置时， 巷 道在采用原有的巷道断层的支护方案时出现 U 型 钢扭曲失稳，空顶区域顶板冒落及棚腿弯曲现象， 为保证巷道围岩的稳定， 需在巷道过断层段采取进 一步的补强加固措施。 2断层对围岩稳定性的影响 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 7 ChaoXing 当巷道开挖后， 巷道塑性区的半径会随着巷道 的掘进而逐渐增大，当断层面与塑性区相交时， 断 层对巷道围岩的影响便会很大， 具体塑性区与断层 几何关系曲线如图 2 所示， 图中 R 为塑性区半径， m 为断层最大影响塑性区的范围， φ 为断层面与水平 方向的夹角。 图 12- 208 工作面运输巷过陷落柱段原有支护断面图 图 2塑性区与断层几何关系图 根据图 1 中断层与塑性区之间的几何关系能 够得出 tgφR m m R tgφ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （1） 根据式 （1） 并结合巷道开挖后塑性区的表达式 能够得出断层最大影响塑性区的范围 m 的表达式 为 mαctgφ（1- sinφ）σ0c cotφ σαc cotφ [] 1- sinφ 2sinφ （2） 根据顶板岩层裂隙的发展过程能够得出 当巷 道掘进至断层的影响范围时， 巷道顶板的破坏过程 可划分为两个阶段， 在第一阶段， 巷道顶板在原始 应力、 垂直应力和断层面侧向应力的综合作用下出 现剪切扩容， 致使顶板岩层出现松动； 在第二阶段， 当顶板裂隙延伸到断层破碎带时， 容易致使断层在 剪切力的作用下出现上下两盘的滑移现象， 此时在 覆岩重量及断层上盘挤压剪切力的作用下使得断 层的下盘出现扩容， 从而导致断层下盘处于极不稳 定的状态， 便会出现松塌性冒落现象[3]； 随着工作面 掘进至断层区域时， 在掘进工作面超前压力的作用 下， 前方的煤岩体会进入塑性区域， 当塑性区域的 范围与断层破碎带贯通时， 便会导致掘进头煤壁及 两帮出现围岩坍塌现象[4]。 3过断层段支护方案设计 根据 2- 208 工作面运输巷在掘进过断层时巷 道的变形破坏特征，并结合巷道变形破坏的机理， 分析确定巷道在过断层段采用现有支护 喷浆 注浆的支护方式来对已掘进过断层段的巷道进行 修复，对未通过的断层采用超前加固巷道围岩 U 型钢棚的方式进行支护。 对于巷道过断层区域， 在现有支护形式下围岩 变形量大的区域提出采用喷浆 注浆的修复方案， 具体的施工工艺为 先打设钻孔， 预埋导水管与注 浆管、在巷道表面喷射一层厚为 150mm 的喷浆层， 然后进行注浆作业； 对于未通过的断层区域， 采用 超前注浆加固的方式掘进通过断层。 本次注浆材料主要使用水泥 - 水玻璃浆液， 水 泥的水灰比为 0.6， 注浆钻孔直径为 50mm， 设计修 复巷道处的注浆深度为 5.0m， 巷道断面内布置 6 个 注浆孔， 顶板及两帮各布置 2 个， 注浆孔之间的间 距为 1.5m， 巷帮孔距离底板的高度为 1.3m， 具体注 浆钻孔的布置位置如图 3 所示。 （a） 注浆钻孔布置断面图（b） 巷帮钻孔布置图 图 3注浆钻孔布置图 具体巷道掘进过断层区域的施工工艺流程如 下 1） 巷道支护。在巷道过断层区域， 架设 U 型钢 棚进行支护， 棚距为 650mm， 棚腿与底板间的夹角 为 85， 拱梁和腿搭接长度为 500mm， 搭接处各用 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 8 ChaoXing 两个卡缆卡住， 卡缆间距为 400mm， 铺设 φ5.7mm 的金属焊接网，网孔规格为 100100mm， （顶网 4500900mm、 帮网 3000900mm ） 。同时每架棚拱 顶按照 850mm 的间距均匀布置 11 根刹杆，棚之间 用 5 根拉杆 （采用 Φ18mm700mm 的圆钢焊制） 联 锁。 2） 喷浆封闭。在 U 型棚架设完毕后， 对巷道断 面进行喷浆作业， 封闭围岩， 同时防止巷道围岩的 风化并能够防止后续注浆作业时出现漏浆现象。喷 浆所用材料主要为水泥、黄沙、石子，水灰比为 0.45， 水泥∶黄砂∶石子的重量比 1∶2∶2， 喷砼 强度为 C20， 喷砼厚度为 150mm， 在进行喷射混凝 土作业时先清理墙角浮矸， 喷射墙基部位， 再喷射 两帮， 最后喷射拱顶部位。 3） 注浆加固。在进行注浆加固作业时， 注浆具 体按照如下步骤施工 ①在需加固位置用钻机按设 计打设注浆钻孔， 钻头 φ50mm， 孔深 5m； ②安装注 花浆管。将注浆花管放入钻好的注浆孔， 注浆花管 外端与封孔器通过螺纹连接；③封孔。封孔采用 ZF- A22 封孔器，通过螺纹将封孔器与注浆花管连 接； ④通过螺纹将注液枪与封孔器连接， 开泵封孔、 注浆； ⑤停泵， 卸压， 拆除注液枪及注浆管线， 移至 下一个注浆孔， 单孔注浆结束。依次进行下一钻孔 注浆。 4） 特殊地段的锚杆补强支护。在架棚、 喷浆、 注 浆通过断层区域后，根据巷道现场变形的具体情 况， 针对巷道变形量较大的区域采用锚杆进行补强 支护， 锚杆的间排距为 800800mm， 锚杆选用左旋 无纵筋螺纹钢锚杆， 规格为 Φ222400mm。 4矿压观测 为对巷道过断层段采用 U 型棚 喷浆 注浆 的支护方案的效果进行验证， 对修复后的巷道表面 的位移量每 2 天进行一次观测，持续观测 2 个月， 将所得数据绘制成曲线如图 4 所示。 通过分析图 5 能够得出， 巷道围岩位移量的曲 线表现为前期变形快， 后期逐渐趋于稳定的总体趋 势，在巷道的修复初期两帮移近速度为 12mm/d， 变 形速率约为 15mm/d，后期巷道的变形速度逐渐减 小， 最终稳定在约 0.1mm/d； 在观测期间内， 巷道顶 底板的最大移近量为 196mm， 两帮的最大移近量为 157mm， 能够看出巷道在采用 U 型棚 喷浆 注浆 的支护方案后巷道围岩变形得到了有效控制， 保证 了巷道围岩的稳定。 （a） 巷道围岩变形 （b） 巷道围岩变形速率 图 4巷道表面位移曲线 5结论 通过分析巷道过断层区域对围岩稳定性影响， 并具体分析 2- 208 工作面运输巷过断层段巷道围 岩的变形特征， 提出采用 U 型棚 喷浆 注浆的支 护措施来控制巷道过断层段围岩的稳定， 根据矿压 观测结果可知， 支护方案实施后巷道过断层区域顶 底板的最大移近量为 196mm， 两帮的最大移近量为 157mm， 有效的保证了巷道围岩的稳定。 参考文献 [1] 尹立明,郭惟嘉,尹增德. 断层影响下覆岩破坏规律研究 [J]. 山东科技大学学报自然科学版,2009,28 （04） 59- 63. [2] 王玉珏,王元明. 断层破碎带的围岩应力对巷道的影响与 控制[J]. 徐煤科技,1999 （02） 35- 37. [3] 王兆会,杨敬虎,孟浩. 大采高工作面过断层构造煤壁片 帮机理及控制[J]. 煤炭学报,2015,40 （01） 42- 49. [4] 王新兴. 巷道过断层破碎带支护技术 [J]. 煤矿安全, 2012,43 （10） 83- 85. 作者简介 霍卫星 （1986-） ， 男， 籍贯山西省浮山县， 2014 年毕业于 太原理工大学采矿工程专业， 工程师， 现从事煤矿安全生产 调度工作。 （收稿日期 2019- 1- 18） 煤矿现代化2019 年第 3 期总第 150 期 9 ChaoXing