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断层破碎顶板冒顶巷道修复技术研究

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煤炭工程 201 1年第4期 断层破碎顶板冒顶巷道修复技术研究 刘洪林 ,柏建彪 一,马述起 ,许 磊 (1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221008; 2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221008) 摘要:由于断层带附近围岩破碎程度高、范围大,掘进工作面与断层相遇时极易发生冒顶 事故。为了防止冒项范围的扩大,实现冒顶巷道的安全、快速修复,文章结合张双楼矿7425材 料巷的实际情况分析了断层破碎顶板冒项巷道的冒顶特征和原因;针对“漏冒型”巷道内松散 煤岩体自稳能力差、随掘随漏的特点,提出了“撞楔法”进行临时支护和构造“假顶”、化学注 浆加固假顶、“锚网索+架棚”联合支护相结合的断层破碎顶板冒顶巷道修复技术。结果表明, 该技术在保证施工安全的同时提高了围岩整体性和承载性能,巷道修复效果理想。 关键词:断层交错带;冒顶;注浆;修复;撞楔法 中图分类号:TD353 文献标识码:B 文章编号:1671—0959(2011)04-0076-04 Research on Repair Technology of Mine Roadway、 th Broken Roof and Roof Falling in Fault LIU Hong—lin ,BAI Jian—biao ,MA Shu—qi ,XU Lei (1.School of Mining Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China; 2.State Key Lab of Coal Resourees and Safety Mining,Xuzhou 221008,China) Abstract:Due to high broken and high scope surrounding near the fault,a roof falling accident would be easily occurred when the driving face met a fault.In 0Ider to prevent the roof falling scope to be enlarged and to have a safety and rapid repair of the roof failed gateway,in combination with the actual conditions of No.74256 material gateway in Zhangshuanglou Mine,the paper had an analysis on the roof falling features and causes of the gateway with broken roof and roof falling in fault.According to the poor self stability of the soft coal and rock mass and the roof flaling with the driving features of the roof falling gateway,the paper provided the repair technology of the gateway with the broken roof and roof falling in combination with the“wedge method”as the temporary support as well as the“artiifcial roof”.chemical grouting reinforced artiifcial roof,“bolt/steel mesh/anchor+square support”.The results showed that the support technology could ensure the construction safety and could improve the surrounding rock integration and the loading performances.The repair effect of the gateway was rationa1. Keywords:cross~bedding zone of fault;roof falling;grouting; ̄pmr;wedge method 断层是煤矿开采中常见的一类地质构造形态,在其形 破碎顶板冒顶巷道修复技术研究对于断层带附近发生冒顶 成过程中通常伴随着巨大的能量释放,因此断层带附近围 的巷道实现安全、快速修复和掘进具有重要的指导意义。 岩一般比较破碎” J。断层的出现给矿井安全生产和掘进 工作造成了极大的影响,当掘进工作面与断层相遇时,由 1工程概况 于顶板破碎程度高、破碎范围大,巷道极易发生冒顶事故。 张双楼煤矿7425工作面位于一1000m水平西一采区, 鉴于目前探测技术和手段的局限性,还很难对回采巷道前 煤层厚度1.5~8.8m、平均5.2m;煤层倾角24。~38。、平 方地质构造进行准确预测从而采取预防措施,所以当回采 均29。;煤层顶底板均为泥岩,岩层综合柱状图如图1所 巷道与断层带相遇时冒顶事故很难避免。因此,开展断层 示。7425材料巷埋深1037m,设计全长为697m,巷道采用 收稿日期:2010—10—17 基金项目:国家自然科学基金项目(50774077);煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题资助 (SKLCRSM08X04);全国博士学位论文作者专项资金资助项目(200760);教育部新世纪优秀人才支持计 戈Ⅱ(NCET一06—0475) 作者简介:刘洪林(1984一),男,四川宜宾人,硕士研究生,研究方向为矿山压力与岩层控制。 76 201 1年第4期 煤炭工程 炮掘,断面为矩形,毛断面尺寸3800mm×280Omm,净断 发生冒顶。巷道冒顶高度约8~lOm,沿巷道走向冒顶段长 面尺寸3600mm x 2700ram。原设计支护形式为锚梁网加锚 索联合支护,顶、帮锚杆分别采用中22×2400mm、qb20× 2000mm等强螺纹钢锚杆,顶板采用O18.9×6250mm的小 孑L径预应力锚索,巷道支护断面图如图2所示。 岩层名称 拄状 层厚/m 砂质}尼岩 —’ ● 度约4m,冒落形状近似“漏斗状”,冒落煤矸约30m ,呈 散体分布、随掘随漏。经过对冒顶区域的观察和断层要素 的实测发现F2、F3断层呈“V”形相交,巷道冒顶类型为 “漏冒型”,实测工程地质剖面图如图3所示。通过对7425 材料巷冒顶特征及工程地质条件的分析,得出该巷发生冒 顶的主要原因是: 岩性描述 2410 .深灰色,水平层 ,层问夹细砂 岩条带,较致密,性脆、易碎 1)断层构造带影响。掘进工作面迎头与F 、F,断层 “V”形交错带相遇,该段巷道顶板围岩十分破碎。同时, 掘进过程中放炮对不稳定围岩产生一定的扰动,容易诱发 细砂岩 | .一—●—●— 一J・●—  J 5.03 灰含平较层白色理多 暗,成色分矿以物石,l泥奘质、长胶石结为,卞水 , I. --一, 深扶色,致密块状,含大量植物 泥岩 6.2O 化石;上部砂质含量增多,渐变 为砂质泥岩,下部泥质含量较多 一 黑色7煤 J ,呈油脂光泽,鳞片状构造, 4.O 条痕黑褐色,参差状断u,内生 泥岩 Fjl _一・-一一一一\\ 1 4.69 灰黑色,致密性脆,遇水易膨 裂胀隙,发含植物化石 育,性脆易碎;f=2-3 灰白色,成分以石英、长石为 细砂岩 24.40 主,含较多暗色矿物,泥质胶 结,水平层理 图1岩层综合柱状图 J_ 图2巷道支护断面图(mm) 2巷道冒落特征 7425材料巷自D1导线点开始掘进的1 18m巷道一共揭 露了三条断层,分别为逆断层F /_20。,H5m;正断层F _/65。,H5.3m;正断层F3/_52。,H2.5m。其中F2与F3为 两条交错断层,当7425材料巷掘至F:、F,断层交错带时 破碎顶板大面积垮落从而造成巷道冒顶。 2)巷道埋深大。巷道埋深约为1037m,属于深井巷 道,原岩应力高,巷道维护困难。 3)煤层倾角大。煤层倾角为24。~38。、平均29。,该 类煤层巷道围岩自稳能力差、不能均匀承载,巷道支护难 度大,容易发生冒顶 J。 4)岩体强度低、地层结构差。7煤顶底板以泥岩、砂 泥岩为主,岩石强度较低,且煤、岩层厚度变化较大,对 巷道维护也极为不利。 图3断层冒落带剖面图 3 冒顶巷道修复技术 通过对7425材料巷冒顶特征的分析,针对该巷所属地 层倾角大、结构差、岩体强度低的特点及巷道冒顶段位于 断层交错带顶板异常破碎、冒顶高度大的特殊情况,为安 全快速通过断层交错带,该冒顶巷道修复的技术思路是: 首先采用“撞楔法”对冒顶巷迎头进行临时支护、构造人 工假顶;再对松散煤岩体注浆,加固人工假顶、充填冒空 区;最后在锚网索支护基础上进行套棚加强支护。 3.1 临时支护及构造假顶技术 由于7425材料巷与断层交错带相遇,巷道顶板十分破 碎且冒漏的煤岩体呈散体分布、自稳能力差(随掘随漏)。 为保障巷道修复期间的施工安全、防止修复掘进过程中顶 板的继续冒落,必须对冒顶区进行有效的临时支护和构造 人工假顶。 针对7425材料巷的漏冒特点及断层交错带的地质构造 特征,决定采用“撞楔法”对冒顶段迎头进行临时支护并 77 煤炭工程 201 1年第4期 以此构造人工假顶。具体做法是:先在巷道迎头架设两架 工字钢“对棚”作为拖梁,采用084×4000ram的无缝钢 管作为撞楔,将其放在拖梁上以间距为250ram、仰角为25。 撞入迎头破碎煤岩体中。 巷道修复过程按照“破碎围岩注浆加固一高深冒空区 注浆充填一掘进并支护”循环施工,直到完全通过断层交 错带。 3.2破碎围岩注浆技术 巷道修复过程中破碎顶板会继续漏顶,冒空区也可能 继续跨落,单纯使用“撞楔法”很难保持所构造人工假顶 的稳定性。为了提高人工假顶的稳定性,保证施工安全和 巷道修复效果,还需要对人工假顶破碎煤岩进行注浆加固、 冒空区进行注浆充填。 3.2.1破碎围岩注浆机理 煤岩体注浆加固就是利用浆液来充填和固结围岩(或煤 层)的裂隙面,过去的研究表明 :破碎煤岩注浆加固以 后其弹性模量、内聚力、抗拉强度、抗剪强度和残余强度 等力学参数都有明显的提高。破碎煤岩注浆加固在改善岩 体力学性能的同时也提高了围岩整体性、增加了其自身承 载能力,有利于围岩稳定。 鉴于7425材料巷冒顶段巷道顶板破碎程度高、围岩自 稳能力差的特点,及化学浆液具有可注性好、渗透能力强、 固结性能好、固化速度快、时问可调的优点,所以决定采 用化学浆液对该巷道冒顶段人工假顶进行注浆加固和冒空 区充填。 3.2.2注浆工艺及参数 1)注浆材料选择。破碎顶板注浆加固和冒空区注浆充 填的目的不同,所以注浆材料选择标准也不同。根据注浆 加固和注浆充填的不同侧重点,注浆加固材料选择力学性 能较好的“固安特”浆液,注浆充填材料选择膨胀系数较 大的“漏必堵”浆液。 2)注浆孑L布置。根据注浆范围的不同,分别以仰角 45。、间距1500ram沿巷道顶板布置三个孔径为42ram、深 度为5000mm的加固材料注浆孔,以仰角60。、间距 2000ram沿巷道顶板布置两个孔径为42ram、深度为 8000ram的充填材料注浆孔。由于围岩破碎程度高,注浆孔 成孔效果差,注浆过程中采用自攻钻杆做为注浆管。注浆 孔布置如图4、图5所示。 3)注浆顺序。注浆过程中先对破碎顶板进行注浆加 固,然后再对冒空区进行注浆充填。注浆过程中,各注浆 孔交替注浆。 4)注浆压力及注浆量。根据现场工程地质特征及注浆 材料性质,注浆压力应控制在2—3MPa范围内。注浆过程 中,发现注浆泵压力表度数明显上升时停止注浆。 3.3掘进及支护工艺 为了减小放炮对断层交错带破碎煤岩体的扰动,冒顶 段巷道掘进过程中使用风镐和侧卸式装煤机进行施工。当 掘进尺度达到700ram时,先采用锚网梁、锚索支护;再进 行套棚支护,棚腿用两根锚杆固定生根,两架棚之间安装 防倒器,空顶、空帮、空肩窝处用磷镁土方木背实。 78 900 2000 .900 3800 图4注浆孔布置平面图(mlT1) 图5注浆孔布置剖面图 4修复效果 通过应用断层破碎顶板冒落巷道修复方案在现场进行 施工,7425材料巷修复效果十分显著。冒顶段巷道修复过 程中没有发生顶板冒漏现象,1d后使用钻孔窥视仪检验, “固安特”浆液均匀扩散,加固材料将破碎煤岩体重新胶结 为具有较高承载性能的整体;“漏必堵”浆液基本充满了冒 空区,注浆效果良好。经过6个施工循环以后,材料巷顺 利通过了F 、F 断层交错带。同时,冒顶段巷道经过修复 以后围岩变形得到了有效控制,现场监测结果如图6所示。 0 20 40 6O 8O 1oo 12O 观测时问,d 图6巷道围岩变形曲线 (下转第81页) 201 1年第4期 煤炭工程 可以看出,在7尺度下,残差信号的自相关序列、功率 早期偏斜状态进行了检测和诊断。通过对矿井罐道偏斜状 谱序列、均值和方差与白噪声更相近。因此,确定在7尺度 态进行分析,得出了应用倾角传感器可以检测罐道偏斜状 下所提取的趋势项为倾角信号,提取的趋势项如图5所示。 态的结论。同时,根据刚性罐道倾斜的缓变性以及倾角传 一6 感器输出信号的特点,提出了应用小波多分辨分析对倾角 4 信号进行趋势项的提取,进而得到罐道偏斜的倾角信号, 墨 然后利用罐道倾角与罐道偏斜量之间的关系可以得到罐道 0 2 4 6 8 l0 12 的水平偏斜量,该信号反映了罐道偏斜的故障特征,据此 时Ihlt/s 图5罐道倾斜状态下的倾角信号 可以得到罐道偏斜故障的位置以及严重程度。 应用式(4)对罐道倾斜状态下倾角传感器输出的倾角信 参考文献: 号进行计算,可得到罐道在OYZ平面内的投影,即罐道沿 井深在y方向的偏斜量,如图6所示。由计算结果可知, 王荃,赵理强.钢轨罐道变形危害分析及处理[J].河北 在,,方向上,提升系统试验模型上的罐道在井深为0.5m处 煤炭,2000,(3):5一,6. 发生倾斜,倾斜的角度为2.86。,由于罐道是单方向倾斜, 乔红兵,陈大峰.立井刚性罐道井简装备的安装[J].煤 其最大偏移量为35mm,分析所得结果与当初试验设置的罐 炭工程,2003,(6):38~39. 道倾斜缺陷情况一致。 隋惠权,苏仲杰,刘文生.立井罐道测斜仪的研制[J]. j阜新矿业学院学报(自然科学版),1994,13(4):38~41. ¨ I 二 齐子元,米东,徐章隧.小波多分辨分析的频带阈值去噪方 法[J].噪声与振动控制,2008,(2):130~132. 陈士海,魏海霞,杜荣强.爆破震动信号的多分辨小波分析 [J].岩土力学,2009,30(4):135~139. Mallat.S.A theory for multi—resolution signal decomposition [J].IEEE Transactions on Pattem Analysis and Machine 3结论 Intelligence,1989,11(7):674~693. (责任编辑赵巧芝) 、 、 、 (上接第78页) 断层破碎顶板冒顶巷道修复以后30d左右巷道变形趋 复工作提供了新的技术途径。 于稳定,顶板最终下沉量约为43ram;两帮移近量约为 56mm、底鼓量约为21mm,围岩控制效果十分理想。 参考文献: 5结论 柏建彪,侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究[J]. 中国矿业大学学报,2006,(3):145~148. 1)分析了张双楼矿断层破碎顶板巷道的冒顶特征,指 黄河,李敏.断层带对巷道工程影响分析[J].煤炭工程, 出了该类巷道发生冒顶的主要原因是断层发育、顶板破碎 2010,(1):34~36. 和煤层倾角大。 齐干,唐强达.旗山矿深部断层冒落巷道修复技术研究 2)针对断层交错带冒顶巷道顶板破碎程度高,围岩稳 [J].煤炭工程,2009,(7):67~69. 定性差,巷道随掘随漏的特点,提出了“撞楔法”构造人 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国 工假顶并对冒顶区域进行临时支护的围岩控制方法,为复 矿业大学出版社,2003. 合构造带的破碎顶板巷道围岩控制技术做出了有益的探索。 查文华,谢广祥,罗勇.不同支护形式下急倾斜煤层巷道支 3)对“漏冒型”冒顶巷道破碎顶板进行注浆加固、高 护对比实验研究[J].煤矿安全,2006,(6):4~7. 罗勇,祁琦.急倾斜煤层煤巷支护试验研究[J].防灾减 深冒空区注浆充填,可以有效改善围岩力学参数和承载结 灾工程学报,2006,(1):78~83. 构、提高围岩的稳定性和承载性能,为冒顶巷道修复期间 于新锋,柏建彪.张集矿综采工作面破碎煤壁注浆加固技术 提供了良好的安全保障。 研究[J].煤炭科学技术,2006,(2):68~71. 4)矿压观测结果表明,对于断层破碎顶板冒顶巷道采 冯志强.破碎煤岩体化学注浆加固机理分析及应用[J]. 用“撞楔法”构造假顶和临时支护、注浆加固破碎顶板、 煤炭科学技术,2008,(10):33~35. 注浆充填冒空区及“锚网索+架棚”联合支护这项巷道修 康红普,王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术【M].北 复技术,在现场应用效果良好。该技术在保证施工安全的 京:煤炭工业出版社,2008. 同时也减轻了劳动强度、提高了修复效率,为冒顶巷道修 (责任编辑郭继圣) 8l  

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