煤巷掘進(jìn)安全過(guò)斷層構(gòu)造帶技術(shù)研究與應(yīng)用

張 澤

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 長(zhǎng)治有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

煤巷掘進(jìn)安全過(guò)斷層構(gòu)造帶技術(shù)研究與應(yīng)用

張 澤

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 長(zhǎng)治有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

某礦S1206工作面膠帶巷掘進(jìn)期間靠近F77斷層構(gòu)造時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的冒頂事故，為了保障巷道后續(xù)掘進(jìn)安全穿過(guò)F77斷層構(gòu)造帶，采用KDZ1114-6A30礦井地質(zhì)探測(cè)儀對(duì)斷層產(chǎn)狀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘探，并在掘巷期間通過(guò)鉆孔窺視儀對(duì)斷層構(gòu)造區(qū)附近巷道頂板進(jìn)行觀測(cè)，在穿過(guò)斷層構(gòu)造期間布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)。在此基礎(chǔ)上提出了采用錨網(wǎng)索和鋼筋梯子梁聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)的方法控制巷道頂板煤巖的穩(wěn)定性，確保了工作面的快速安全通過(guò)。該研究結(jié)果為掘巷期間安全快速通過(guò)斷層構(gòu)造區(qū)提供了一種新的預(yù)先監(jiān)測(cè)和防治思路。

斷層構(gòu)造；鉆孔窺視；礦壓觀測(cè)；加強(qiáng)支護(hù)

隨著礦井開采深度逐年增加，一些特殊的地質(zhì)構(gòu)造如斷層、陷落柱等越來(lái)越多地被揭露出來(lái)。這些異常地質(zhì)構(gòu)造的存在，一定程度上破壞了煤巖體的完整性，并在一定范圍內(nèi)改變了地應(yīng)力的量值和方向，從而對(duì)掘進(jìn)巷道，尤其是掘進(jìn)面附近的圍巖穩(wěn)定造成影響[1-3].

地質(zhì)物探技術(shù)對(duì)煤巷的掘進(jìn)作業(yè)能夠提供一定的安全保障，可在一定程度上提前探明斷層構(gòu)造的形態(tài)，但由于物探結(jié)果的多解性等因素，由斷層引起的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布、斷層構(gòu)造對(duì)煤巖穩(wěn)定性的影響等還沒(méi)有系統(tǒng)地展開研究。斷層構(gòu)造形態(tài)及其分布引起的局部地應(yīng)力變化和對(duì)煤巖體穩(wěn)定性的控制，以及對(duì)巷道安全快速掘進(jìn)的影響的研究有待加強(qiáng)[4-5].

基于此，針對(duì)某礦巷道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)顯著，開展了快速掘進(jìn)技術(shù)的研究與應(yīng)用，可為后續(xù)的施工安全、施工方案及巷道支護(hù)等問(wèn)題提供理論依據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 地質(zhì)概況

某礦S1206工作面布置在3#煤層中，煤層平均厚度6.4 m，基本頂為粉砂巖，厚11.25 m，深灰色，夾薄層砂質(zhì)泥巖。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度約1.3 m，深灰色，底部夾薄層泥巖。偽底為砂質(zhì)泥巖，厚度為0～0.5 m，深灰色，塊狀，含少量云母碎片。直接底為細(xì)粒砂巖，厚度為0～0.2 m，深灰色，含少量白云母。基本底為粉砂巖，厚度為0～11.57 m，深灰色，含星散狀白云母，局部夾薄層細(xì)粒砂巖。

S1206工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中，勘探到有斷層的存在，為了準(zhǔn)確地探明斷層的具體方位參數(shù)，選用現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)、探測(cè)準(zhǔn)確度高的KDZ1114-6A30礦井地質(zhì)探測(cè)儀，并配合鉆探對(duì)S1206工作面F77斷層進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，斷層揭露位置為1 222.6 m處，為逆斷層，走向1°，傾向91°，斷距為7.5 m.巷道前方30 m處(斷層下盤)煤層坡度約為-23°，煤層逐漸變薄。斷層上盤煤層厚度6 m，煤層傾角+6°～10°.綜合分析，初步預(yù)報(bào)F77斷層見圖1，與掘進(jìn)揭露斷層情況相近。

2 冒頂事故

S1206工作面膠帶巷掘進(jìn)期間，在揭露F77斷層構(gòu)造前，巷道就出現(xiàn)了不同程度的頂板變形破壞，見圖2a). 當(dāng)巷道掘進(jìn)靠近F77斷層構(gòu)造時(shí)，受F77斷層構(gòu)造的影響，膠帶巷局部范圍發(fā)生冒頂事故，致使頂錨索斷裂失效以及頂板大面積冒落，見圖2b)、c).

圖1 S1206膠帶巷過(guò)F77斷層地質(zhì)剖面圖

圖2 過(guò)F77斷層冒頂事故圖

3 斷層構(gòu)造帶附近頂板特征

S1206工作面膠帶巷掘進(jìn)通過(guò)斷層時(shí)，冒頂事故發(fā)生后，在斷層構(gòu)造附近采用鉆孔窺視方法對(duì)頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)，部分典型的裂隙發(fā)育情況見圖3. 統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，頂板下位巖層0～2.5 m裂隙相互貫通，整體破碎、脫落；2.5～5 m有多處層理、劈裂并有大范圍離層現(xiàn)象，破裂范圍和規(guī)模甚至超過(guò)巷道中部頂板變形最大的區(qū)域。可見，斷層構(gòu)造區(qū)域巷道頂板較為破碎，需要采取加強(qiáng)支護(hù)等方法來(lái)控制圍巖的穩(wěn)定性，防止發(fā)生冒頂?shù)认锏赖V壓顯現(xiàn)事故。

圖3 巷道頂板不同層位鉆孔窺視結(jié)果圖

4 加強(qiáng)支護(hù)與礦壓監(jiān)測(cè)

4.1 表面位移監(jiān)測(cè)

斷層破碎帶巖性復(fù)雜，巷道壓力顯現(xiàn)規(guī)律多變。對(duì)巷道過(guò)斷層破碎帶的監(jiān)控量測(cè)能夠及時(shí)掌握斷層破碎帶圍巖的變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力信息，評(píng)價(jià)各種支護(hù)所取得的效果及判斷施工方案的合理性。針對(duì)斷層構(gòu)造帶附近的巷道，選擇長(zhǎng)度20 m的范圍對(duì)試驗(yàn)段巷道進(jìn)行圍巖表面位移跟蹤監(jiān)測(cè)，用以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，判斷施工方案的合理性，指導(dǎo)后續(xù)施工。

表面位移變化情況是巷道穩(wěn)定的直接表現(xiàn)，巷道開挖完成后，圍巖不可避免地會(huì)產(chǎn)生形變，這些形變是多方位和動(dòng)態(tài)的。多方位是指自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力引起的沉降和側(cè)向擠壓造成的拱幫收斂和底鼓變形，動(dòng)態(tài)指的是變形隨時(shí)間呈非線性變化。自在斷層前方10 m位置處第1個(gè)斷面A1測(cè)點(diǎn)安裝并開始監(jiān)測(cè)以來(lái)，先后分別在過(guò)斷層位置處安裝了第2個(gè)斷面A2測(cè)點(diǎn)，并在過(guò)斷層后方10 m位置處安裝了第3個(gè)斷面A3測(cè)點(diǎn)，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面圍巖表面收斂位移與時(shí)間關(guān)系曲線圖見圖4.

圖4 圍巖表面收斂位移與時(shí)間關(guān)系曲線圖

由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，巷道開挖后曲線快速上升，持續(xù)時(shí)間10 d左右。這是由于巷道開挖引起表面巖體法向荷載卸除，應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整導(dǎo)致切向荷載大大增高，巖體承受的偏應(yīng)力超過(guò)巖體剪切強(qiáng)度，使得圍巖由表及里快速破裂擴(kuò)展，巖體碎脹擴(kuò)容導(dǎo)致圍巖側(cè)向位移迅速增加。這一階段內(nèi)，監(jiān)測(cè)斷面距掘進(jìn)工作面較近，曲線存在明顯震蕩，顯示表面巖體變形的不穩(wěn)定性。隨著掘進(jìn)工作面繼續(xù)推進(jìn)，錨桿和錨索發(fā)揮支護(hù)作用，變形受開挖影響越來(lái)越小，當(dāng)掘進(jìn)工作面距監(jiān)測(cè)斷面超過(guò)40 m后，位移不再受開挖的影響，變形速率明顯降低。開挖40 d后表面位移產(chǎn)生突變，變形速率增大明顯，達(dá)到15 mm/d. 據(jù)此判斷，斷層構(gòu)造對(duì)巷道變形和穩(wěn)定性有很大影響，因而在該段應(yīng)適當(dāng)增加支護(hù)強(qiáng)度。

4.2 加強(qiáng)支護(hù)方案

S1206工作面回采至545 m時(shí)，將在回風(fēng)巷揭露F77斷層，該斷層貫穿工作面，對(duì)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，為確保安全順利施工，特制定S1206工作面過(guò)F77斷層方案。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，采取了對(duì)應(yīng)的支護(hù)措施。在揭露F77斷層前后10 m采用錨桿錨索加強(qiáng)支護(hù)，在揭露F77斷層前后5 m采用架工字鋼棚支護(hù)，保證了工作面的快速安全通過(guò)。具體的過(guò)斷層支護(hù)方案見圖5.

圖5 斷層附近巷道支護(hù)方案圖

過(guò)斷層附近煤層巷道采用錨網(wǎng)索和鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)的方式，具體支護(hù)參數(shù)如下：1) 頂錨桿的間排距為860 mm×800 mm，頂錨索的間排距1 000 mm×1 600 mm，一排布置3根頂錨索。幫錨桿的間排距900 mm×800 mm. 2) 頂錨索形式和規(guī)格為：錨索材料為d18.9 mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度8 300 mm，采用3支K2350低黏度快速樹脂錨固藥卷錨固，錨固長(zhǎng)度為1 500 mm. 要求錨索初次張拉達(dá)300 kN，預(yù)應(yīng)力損失后達(dá)到250 kN. 3) 頂板和幫部錨桿形式和規(guī)格：錨桿桿體為d22 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼鋼筋，鋼號(hào)為HRB500型，長(zhǎng)度2 400 m，桿尾螺紋為M24. 錨固方式為樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固，采用2支Z2350低黏度慢速樹脂錨固藥卷錨固，錨固長(zhǎng)度為1 000 mm，錨桿扭矩為300 N·m，錨固力200 kN.

5 結(jié) 論

1) 采用鉆孔窺視的方法對(duì)斷層構(gòu)造帶附近頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，頂板下位巖層0～2.5 m裂隙相互貫通，整體破碎、脫落，2.5～5 m有多處層理、劈裂并有大范圍離層現(xiàn)象，破裂范圍和規(guī)模甚至超過(guò)巷道中部頂板變形最大的區(qū)域。

2) 斷層破碎帶巖性復(fù)雜，巷道壓力顯現(xiàn)規(guī)律多變。多組礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)斷層構(gòu)造帶時(shí)，斷層構(gòu)造對(duì)巷道頂板的變形破壞和穩(wěn)定性有很大影響。

3) 針對(duì)原有支護(hù)方式無(wú)法保障巷道安全通過(guò)斷層構(gòu)造，提出了采用錨網(wǎng)索和鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)的方式進(jìn)行頂板加固修復(fù)，確保了工作面的快速安全通過(guò)。

[1] 賀 虎，竇林名，鞏思園，等．巷道防沖機(jī)理及支護(hù)控制研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(1)：40-44．

[2] 楊增強(qiáng)，竇林名，張潤(rùn)兵，等．特厚煤層巷道掘巷支護(hù)防沖研究[J]．煤炭工程，2013(4)：80-83．

[3] 張廣超，何富連．大斷面強(qiáng)采動(dòng)綜放煤巷頂板非對(duì)稱破壞機(jī)制與控制對(duì)策[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35(4)：806-817．

[4] 何富連，楊增強(qiáng)，魏 臻．采動(dòng)影響下碎裂煤巷注漿加固優(yōu)化研究與應(yīng)用[J]．煤礦開采，2017，22(1)：50-54．

[5] 陳學(xué)華．構(gòu)造應(yīng)力型沖擊地壓發(fā)生條件研究[D]．阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2004．

Research and Application on Safety Crossing Tectonic Zone in Coal Roadway Excavation

ZHANG Ze

In order to ensure the safety of roadway excavation crossing through the F77 fault zone in S1206 working face in a coal mine where a roof fall accident happened, the KDZ1114-6A30 mine geological prospecting instrument is used, the site survey of the fault occurrence is carried out, and the roof of the roadway near the fault structure area is observed by means of a borehole prospecting instrument during the excavation, and the monitoring points are arranged to monitor the roof pressure. The paper further puts forward that the combination of anchor net cable and reinforced ladder shaped beam can strengthen the stability of roof and coal rock, and ensure the safe and rapid excavation. The results of this practice provide a new pre-monitoring and control idea under the condition of crossing tectonic Zone.

Fault structure; Drilling peep; Mine pressure observation; Strengthening support

2017-04-24

張 澤(1988—)，男，山西長(zhǎng)治人，2011年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作(E-mail)690974496@qq.com

TD353

B

1672-0652(2017)06-0043-04