申勇杰
(山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046000)
余吾煤業(yè)現(xiàn)主采3#煤層,設(shè)計生產(chǎn)能力600萬t/a,煤層厚度5~7.25m,平均5.99m,全區(qū)穩(wěn)定可采。該礦S1301工作面專用回風(fēng)巷為矩形斷面,斷面寬度4.5m,高度3m,現(xiàn)已掘進完畢并通過了F9正斷層。F9斷層斷距為1~2m,走向216°,傾角35°,傾向306°。由于缺乏經(jīng)驗,設(shè)計的支護方案未能較好地控制斷層處回風(fēng)巷圍巖的穩(wěn)定性,導(dǎo)致S1301回風(fēng)巷過斷層后頂?shù)装寮皟蓭统霈F(xiàn)大面積破碎。該煤層下一工作面的S1302工作面運輸巷也為矩形斷面,斷面寬度4.5m,高度3m,現(xiàn)已施工637m。迎頭距離F11正斷層剩余83m,F(xiàn)11斷層預(yù)計上下盤斷距為1~1.4m,走向230°,傾角70°,傾向320°。S1302及S1301工作面巖層巖性分布大致相同,工作面無偽頂,直接頂以砂質(zhì)泥巖為主,平均厚度6m,基本頂以粗粒砂巖為主,平均厚度為8m,直接底主要為泥巖,平均厚度7m,基本底巖性以粉砂巖為主,平均厚度10m。為防止S1302運輸巷過斷層時出現(xiàn)與S1301回風(fēng)巷同樣的情況,有必要設(shè)計有效的支護方案,使S1302運輸巷安全高效地通過斷層。
(1)由于斷層是巖層上下盤錯動發(fā)生明顯位移的地質(zhì)構(gòu)造,所以斷層上下盤之間的斷層帶內(nèi)巖石較破碎且夾雜大量泥石混合物。斷層帶內(nèi)雜物遇水會有明顯的膨脹性,對巷道產(chǎn)生擠壓作用,不利于巷道支護。
(2)巷道過斷層處的圍巖破碎較嚴重,巖體本身沒有良好的膠結(jié)穩(wěn)定性,在巷道開挖的擾動下,應(yīng)力重新分布非常復(fù)雜,極易發(fā)生大面積的破碎與變形現(xiàn)象。
(3)由于斷層的影響,巷道直接頂與基本頂連接性變差,易出現(xiàn)離層現(xiàn)象。若支護方案中的錨索長度不足,則無法充分發(fā)揮錨索的懸吊作用,一旦發(fā)生直接頂與基本頂?shù)碾x層,容易出現(xiàn)巷道頂板的大面積垮落及錨索拉斷等現(xiàn)象。
(4)由于斷層帶附近構(gòu)造應(yīng)力較為復(fù)雜,巷道穿過斷層時,其軸向與構(gòu)造水平應(yīng)力往往會存在一定的夾角。夾角的存在使得巷道原本破碎的頂?shù)装逶谒綉?yīng)力的影響下更易發(fā)生剪切及拉伸破壞。頂?shù)装宓淖冃纹茐挠质沟酶矌r應(yīng)力向巷幫集中,最終使得斷層處巷道整體破壞失穩(wěn)。
(1)超前預(yù)注漿加固
根據(jù)F11斷層賦存狀態(tài)、破碎區(qū)域范圍及運輸巷布置、掘進情況,確定出運輸巷預(yù)注漿加固施工方案如下:在距斷層帶10m附近時,沿巷道斷面輪廓布置注漿孔,孔長均為15m,超前預(yù)注漿鉆孔共布置10個孔,注漿孔施工圖如圖1所示。其中1~3號注漿孔沿巷道斷面的頂板布置,鉆孔均向上傾斜4°~6°,孔間距2000mm,確保巷道掘進過程中頂板保持完整性,不發(fā)生垮落;4~5號及6~7號注漿孔分別布置于巷道兩幫,孔間距2000mm,鉆孔均保持平行布置,保證巷道兩幫及掌子面的強度及穩(wěn)定性,較好地支撐頂板;8~10號注漿孔沿底板布置,孔間距2000mm,均向下傾斜4°~6°,保證巷道過斷層破底前進時,巷道頂?shù)装迤扑閹r體不發(fā)生大面積冒落。10個鉆孔發(fā)揮各自優(yōu)勢,保證巷道安全通過斷層的同時又能維持巷道的長期穩(wěn)定性,在回采時依然保持破碎巖體的整體性。注漿材料以無機礦粉為主原料,配比一定的早凝劑及其他細骨料。該注漿材料不僅強度高、凝結(jié)速度快、與巖體膠結(jié)性高、滲透率高,而且經(jīng)濟環(huán)保,對地下環(huán)境無污染。
圖1 注漿孔施工圖(單位:mm)
(2)聯(lián)合加強支護
根據(jù)S1302運輸巷過斷層破碎帶的工程地質(zhì)條件,在注漿加固斷層破碎帶巖體的基礎(chǔ)上優(yōu)化加強原支護方式,具體支護方案如下:
S1302運輸巷圍巖完整處的支護方案與原支護方案相同,而將斷層破碎帶處的巷道頂板錨桿數(shù)量增加為6根,錨桿的間排距縮小為800mm×1000mm,改用抗剪、抗拉強度高的左旋無縱筋螺紋鋼強力錨桿。頂錨桿直徑22mm,長度2400mm,頂板兩邊的錨桿分別向左或向右傾斜15°布置。為了保持錨桿對圍巖體的組合支護作用,托盤處施加的預(yù)緊力矩應(yīng)不小于400N·m。頂錨索采用1×18股高強度低松弛鋼絞線制作,錨索直徑22.6mm,長度6.4m,間排距為2000mm×2000mm,每排布置2根錨索。為防止頂板發(fā)生離層現(xiàn)象,托盤處施加的預(yù)緊力矩應(yīng)不小于800N·m。巷道的兩幫各布置3根錨桿,錨桿規(guī)格及參數(shù)與頂板錨桿相同,錨桿排間距為1200 mm×1000mm,上下兩幫錨桿分別向頂板或底板傾斜15°布置。幫錨索參數(shù)及規(guī)格與頂錨索相同,間排距改為1000mm×1000mm,每排每幫各布置兩根錨索。巷道聯(lián)合加強支護布置如圖2所示。
圖2 運輸巷加強支護設(shè)計圖
為評價設(shè)計的支護方案能否較好地保證S1302運輸巷過斷層的穩(wěn)定性,通過數(shù)值模擬的方法分別對S1301回風(fēng)巷及S1302運輸巷過斷層支護進行模擬驗證,對比分析兩種方案在斷層圍巖破碎段巷道的支護效果。
(1)模型建立
根據(jù)3#煤層工程地質(zhì)概況,建立FLAC3D數(shù)值模擬模型,模擬埋深300m,模型長×寬×高=60m×50m×40m,共建立25870個單元,斷層模型如圖3所示。其中模擬的斷層落差為1.2m,模型四周采用位移固定約束,底部無約束,頂部施加9.5MPa的上覆巖層應(yīng)力,根據(jù)巖層屬性及斷層構(gòu)造設(shè)置側(cè)壓系數(shù)為1.2。待模型初始應(yīng)力平衡后,先沿3#煤層底板掘進S1301回風(fēng)巷,過斷層方式為破底掘進,采用原支護方案進行支護模擬。隨后重新導(dǎo)入初始平衡模型,進行S1302運輸巷的開挖,運輸巷掘進及過斷層方式與回風(fēng)巷相同,巷道完整段支護方式也與回風(fēng)巷相同,但斷層處的支護方式采用“超前預(yù)注漿加固+加強聯(lián)合支護”的方式進行模擬。
圖3 斷層模型圖
(2)模擬結(jié)果分析
回風(fēng)巷與運輸巷不同支護方式過斷層破碎帶時巷道塑性區(qū)分布情況如圖4所示。
由圖4(a)可知,S1301回風(fēng)平巷穿過斷層時巷道圍巖整體較破碎,原支護方案下巷道頂板及兩幫均出現(xiàn)大面積的剪切破壞,底板破壞深度為1.2m,兩幫中部還存在少量的拉破壞。這是由于圍巖破碎不連續(xù),導(dǎo)致頂板受力不均勻,頂板承載能力不足使得應(yīng)力在兩幫集中并產(chǎn)生錯動剪切效應(yīng),原支護方案下S1302回風(fēng)巷圍巖塑性破壞區(qū)的面積高達120m2,巷道的穩(wěn)定性及安全性較低。由圖4(b)可知,運輸平巷在超前預(yù)注漿的作用下保持了圍巖的完整性,同時加強后的支護方案較好地將圍巖破碎帶與完整圍巖連接起來,防止了頂板離層及冒落現(xiàn)象的發(fā)生,頂?shù)装寮皟蓭蛢H存在少量剪切破壞及拉伸破壞,其塑性區(qū)面積僅為61m2,較原支護方案下的回風(fēng)巷下降了49.1%,有效地控制了巷道過斷層時的圍巖變形。
(3)支護效果分析
為驗證運輸巷過斷層時的支護效果,在運輸巷掘進至斷層帶前10m處布置測點,采用十字布點法實時監(jiān)測運輸巷過斷層時及過斷層后圍巖變形及位移情況,分析支護效果。運輸巷圍巖變形監(jiān)測情況如圖5所示。
由圖5可以看出,通過“超前預(yù)注漿加固+加強支護”的聯(lián)合支護方式,使得運輸巷斷層處原本破碎的圍巖組成連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)。運輸巷剛過斷層時,由于采動影響較大,測點處兩幫圍巖及頂?shù)装鍑鷰r位移量都迅速增加,但巷道掘進穿過斷層11d后圍巖位移便逐漸趨于穩(wěn)定,兩幫最大移進量66.4mm,頂?shù)装遄畲笠七M量為86.2mm。巷道掘進過斷層后30d頂?shù)装宓囊七M量一直控制在85mm內(nèi),兩幫移進量控制在65mm內(nèi),巷道過斷層帶的圍巖控制效果顯著,消除了安全隱患。
圖4 圍巖塑性區(qū)分布圖
圖5 巷道過斷層圍巖變形量
加強支護后的運輸巷,在過斷層一個月后,巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵廊槐3滞暾?,未出現(xiàn)明顯的破碎及變形,支護效果良好,避免了二次支護,節(jié)約成本的同時提高了掘進速度,保證了工作面安全、高效的回采。
(1)通過分析巷道過斷層時的圍巖變形破壞機理,提出了運輸巷安全過斷層的“超前預(yù)注漿加固+混合加強支護”的支護技術(shù)方案。
(2)數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場觀測表明,提出的過斷層安全支護方式有效地控制了巷道的穩(wěn)定性。采用改進技術(shù)支護后的運輸巷,其塑性區(qū)破壞面積較原支護方案下的回風(fēng)巷下降了59m2。
(3)根據(jù)現(xiàn)場實測得出,加強支護后的運輸巷圍巖變形量在10d內(nèi)便穩(wěn)定在100mm以內(nèi),說明優(yōu)化后的支護方案有效地控制了圍巖變形,為相同工況下的巷道支護提供了研究及參考價值。