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        厚層泥巖淋水頂板過(guò)斷層錨注架聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

        2020-06-02 03:19:52趙華全王海川張歡歡
        陜西煤炭 2020年3期
        關(guān)鍵詞:淋水大巷泥巖

        趙華全,王 偉,王海川,張歡歡

        (陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽(yáng) 713600)

        0 引言

        斷層是地殼上普遍分布的一種地質(zhì)構(gòu)造,是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地應(yīng)力超過(guò)組成地殼煤巖體的強(qiáng)度極限時(shí),發(fā)生斷裂的現(xiàn)象,斷裂后的煤巖體沿破裂面發(fā)生位移,該斷裂構(gòu)造稱之為斷層,斷層結(jié)構(gòu)一般較為破碎,常夾帶軟弱夾層和風(fēng)化碎屑,并可能為附近富水地層的導(dǎo)水通道,其巖體自承能力較差,給礦井安全生產(chǎn)造成極大威脅[1-3]。地下水是影響煤礦安全生產(chǎn)的重要因素之一。巷道頂板淋水,不僅弱化頂板巖性,同時(shí)使支護(hù)構(gòu)件銹蝕,降低錨桿索支護(hù)承載力,尤其泥巖頂板,受淋水影響極易出現(xiàn)碎脹、泥化現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)易造成局部漏頂或冒頂事故發(fā)生[4]。因此,研究過(guò)斷層期間厚層泥巖頂板淋水條件下巷道變形機(jī)理,對(duì)解決頂板淋水條件下的巷道支護(hù)難題具有重要的意義。結(jié)合胡家河煤礦北西輔運(yùn)大巷過(guò)斷層穿層期間頂板淋水條件下厚層泥巖頂板巷道支護(hù)工程實(shí)踐,對(duì)淋水條件下圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行探究。

        1 工程背景

        1.1 工程概況

        北西輔助運(yùn)輸大巷是胡家河煤礦承擔(dān)西北盤區(qū)延伸的輔助運(yùn)輸巷道,北西大巷共布置3組,該巷道為優(yōu)先掘進(jìn)巷道。設(shè)計(jì)布置于侏羅系中統(tǒng)延安組4號(hào)煤層中,地表標(biāo)高+870~1 200 m,井下標(biāo)高+475~+430 m,煤層平均厚度9 m,頂?shù)装鍘r性以灰色、深灰色泥巖為主,巷道為直墻半圓拱型斷面,掘?qū)? 240 mm,掘高5 020 mm,采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式,頂板錨桿為φ22 mm×2 500 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿配合W型鋼帶支護(hù),間排距700 mm×700 mm矩形布置,錨索為1×19股高強(qiáng)φ21.8 mm×7 100 mm鋼絞線錨索,間排距1 200 mm×1 400 mm,“6-6”布置。目前已掘進(jìn)完成2 450 m,正頭掘進(jìn)期間揭露一條DF22正斷層,走向NEE,傾向NNW,傾角78°,斷層落差0~9 m,斷層示意圖如圖1所示。

        圖1 斷層示意圖

        1.2 圍巖特性

        目前巷道穿斷層下盤,為全泥巖巷道,泥巖與砂質(zhì)泥巖均具有親水性,巖石膠結(jié)性差,遇水易產(chǎn)生損傷,巖石中節(jié)理、裂隙由于水的浸入產(chǎn)生崩解、軟化、甚至泥化,使巖石的承載能力明顯減弱,泥巖抗崩解能力低,軟化性較強(qiáng),北西輔運(yùn)大巷圍巖力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。巷道頂板上部4 m位置為煤層底板,掘進(jìn)過(guò)程中受斷層影響伴有淋水現(xiàn)象,隨工作面掘進(jìn),淋水不斷增大,成線狀,水量達(dá)15 m3/h。受淋水影響,頂板泥巖遇水碎脹、泥化,頂板出現(xiàn)下沉,圍巖完整性下降、強(qiáng)度降低的崩解軟化特征非常明顯,局部漏頂,支護(hù)困難。

        表1 北西輔運(yùn)大巷圍巖力學(xué)性質(zhì)

        2 圍巖破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)

        2.1 巷道圍巖及支護(hù)破壞機(jī)理

        斷層對(duì)巷道頂板淋水影響:該巷道充水水源為侏羅系延安組、直羅組及白堊系洛河組頂板含水層,掘進(jìn)期間主要影響為延安組煤系地層,為承壓含水巖組,具有一定富水性、承壓性,補(bǔ)給源較遠(yuǎn),補(bǔ)給水頭亦高,原巷道布置于煤層中,正常掘進(jìn)期間未見(jiàn)明顯淋水現(xiàn)象。但受斷層影響,巷道掘進(jìn)穿斷層面后進(jìn)入斷層下盤,為全泥巖巷道,巷道圍巖裂隙發(fā)育明顯,斷層面巖體整體性較差,自主承載能力及阻水性較弱,極易導(dǎo)通上覆含水層,出現(xiàn)淋水現(xiàn)象。

        頂板淋水對(duì)巷道圍巖的破壞機(jī)理:軟巖巷道之所以難以支護(hù)一方面是因?yàn)檐泿r的本身承載能力低,另一方面是因?yàn)檐泿r巷道中巷道圍巖巖層中含有很多的裂隙及結(jié)構(gòu)弱化面,一旦遇到含水層時(shí)將加劇巖石弱化。在厚層泥巖巷道中,水是泥巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的最主要因素之一,水能快速或逐漸地改變巖石狀態(tài),使其變形特征及圍巖強(qiáng)度發(fā)生改變。水對(duì)巷道圍巖的破壞作用一般體現(xiàn)在兩個(gè)方面,一方面水在煤巖體中流動(dòng)對(duì)已存在的圍巖裂隙及節(jié)理進(jìn)一步疏導(dǎo),并在煤巖體中產(chǎn)生軟化作用,在節(jié)理及裂隙發(fā)育較明顯的不連續(xù)面中起到潤(rùn)滑效果;另一方面水的存在改變了煤巖體的物理力學(xué)性質(zhì),使其單軸抗壓強(qiáng)度減低,內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力減小,進(jìn)而造成圍巖強(qiáng)度降低。加之在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)圍巖不及時(shí)封閉,由于圍巖長(zhǎng)時(shí)間的暴露,就會(huì)加劇巖體的泥化及風(fēng)化過(guò)程,造成更加明顯的節(jié)理化特征[5-7]。

        頂板淋水對(duì)支護(hù)破壞機(jī)理:對(duì)于錨網(wǎng)索支護(hù)的巷道中,頂板水對(duì)錨固支護(hù)效果的破壞也是很明顯的,在進(jìn)行錨桿索支護(hù)過(guò)程中,頂板水的存在不僅降低了錨固劑的粘結(jié)性,減慢錨固劑反應(yīng)速度,支護(hù)中頂板水沿著錨索孔外流,造成部分錨固劑流失,進(jìn)一步減少了錨桿索錨固長(zhǎng)度,使得錨固力或預(yù)緊力難以滿足要求。對(duì)于即便錨固成功的錨桿索,由于頂板淋水的存在,對(duì)巷道圍巖中的支護(hù)材料,如錨桿索體、托盤和鋼筋網(wǎng)等金屬構(gòu)件造成銹蝕作用,在一定程度上同樣降低了支護(hù)材料本身的力學(xué)性能,導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)可靠性下降。支護(hù)結(jié)構(gòu)的銹蝕破壞,性能降低,導(dǎo)致通過(guò)錨桿索施加給圍巖的預(yù)緊力降低,從而影響錨固結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果[8-9]。

        2.2 錨注架噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

        支護(hù)理念:支護(hù)理論認(rèn)為,提高巷道圍巖支護(hù),一般采取兩種有效措施,一種是通過(guò)有效改善巷道圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及煤巖體性能來(lái)提高巷道支護(hù)效果;第二種是采取外在措施被動(dòng)提高巷道煤巖體支護(hù)[10-11]。改善圍巖的自身結(jié)構(gòu),提高圍巖承載上覆巖層壓力的能力,充分發(fā)揮圍巖潛在的自主承載能力,然后再給與巷道圍巖被動(dòng)支護(hù),往往能達(dá)到非常好的支護(hù)效果。

        巷道噴漿和圍巖注漿:目前對(duì)于改善巷道圍巖自身結(jié)構(gòu),充分利用巷道圍巖自主承載能力的措施主要有巷道噴漿和圍巖注漿兩種,其中巷道圍巖注漿是利用漿液把圍巖的各種弱面充實(shí),并把弱面充填體和四周巖體重新膠結(jié)起來(lái),封堵圍巖的裂隙,隔絕空氣來(lái)防止圍巖風(fēng)化,并且能封閉水源,減少水對(duì)圍巖的泥化作用及防止圍巖被水浸濕而造成圍巖強(qiáng)度降低,從而提高圍巖的整體穩(wěn)定性及其力學(xué)性能,改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì),增強(qiáng)巷道圍巖自主承載能力。巷道噴漿主要是利用混合物噴層與巷道淺部圍巖鉸接一起,共同形成組合拱結(jié)構(gòu),以支撐圍巖、封閉圍巖防止風(fēng)化作用。

        圍巖注漿配合錨噴支護(hù):在巷道四周形成一個(gè)有效的組合拱,即噴網(wǎng)組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴(kuò)散加固拱,形成多層組合拱結(jié)構(gòu),擴(kuò)大提高有效承載范圍、支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和承載能力,該支護(hù)機(jī)理如圖2所示。

        1-支護(hù)構(gòu)件;2-注漿管;3-U型鋼棚承載結(jié)構(gòu);4-漿液擴(kuò)散范圍;5-支護(hù)作用錨固承載殼;6-混凝土噴層形成的組合拱圖2 巷道錨注噴加固支護(hù)機(jī)理

        3 工程應(yīng)用

        3.1 支護(hù)思路

        詳細(xì)背景:胡家河煤礦北西輔助運(yùn)輸大巷為直墻半圓拱形巷道,直墻高1.6 m,掘?qū)? 240 mm,掘高5 020 mm,凈寬6 000 mm,凈高4 600 mm,S掘?yàn)?7.14 m2,S凈為23.73 m2。巷道過(guò)F22斷層,目前穿下盤巖巷掘進(jìn),巷道頂板距離煤層底板4 m,煤層厚度約6 m,煤層坡度+3°,巷道施工坡度+6.5°。

        支護(hù)步驟:①巷道正頭斜向掘進(jìn)方向布置卸水鉆孔,通過(guò)施工泄水鉆孔來(lái)降低或者消除鉆孔附近的涌水;②超前預(yù)注漿,提高巷道圍巖(泥巖)的整體性和自身承載能力;③取消錨桿支護(hù),采用全錨索高強(qiáng)支護(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù);④架設(shè)29U型鋼棚增加外在承載能力,提高支護(hù)系統(tǒng)可靠性;⑤噴射混凝土封閉圍巖。

        3.2 具體支護(hù)參數(shù)

        布置卸水孔:巷道為厚層泥巖滲水頂板,靠頂板前端使用錨索支護(hù)工具施工一排卸水鉆孔,鉆孔迎掘進(jìn)方向前上方75°角施工,每排布置3孔,正頂與兩肩窩各一組,排距3 m,深度7.5 m。

        超前預(yù)注漿:注漿設(shè)備為2ZBQ-6/12型氣動(dòng)高壓雙液注漿泵,注漿材料為SCPJG-2礦用復(fù)合加固材料是由A、B兩種組分的復(fù)合材料,該材料抗壓強(qiáng)度高,遇水不發(fā)泡,粘結(jié)性好,適用于含水、松散、破碎的煤巖體斷層帶、陷落柱、煤巖層破碎帶的超前加固。注漿孔“5-3-5”布置。長(zhǎng)孔深度為5 m,花管1 m,短孔深度為3 m,花管0.5 m,封孔深度均1.5 m,孔間距為1.5 m,排距為1.5 m,施工角度均斜向掘進(jìn)方向45°,注漿壓力不小于4 MPa。

        巷道錨索支護(hù)參數(shù):采用全錨索支護(hù),錨索規(guī)格為φ21.8 mm×7 100 mm,“6-6”布置,間排距為700 mm×700 mm,施工于“W”型鋼帶孔位置,每根錨索使用2支K2360型和1支Z2360型錨固劑錨固,預(yù)緊力≥200 kN。配套使用300 mm×300 mm×16 mm的碟形托盤及雙層φ6.0 mm鋼筋網(wǎng),網(wǎng)幅900 mm×1 700 mm,網(wǎng)格為100 mm×100 mm,錯(cuò)差使用。

        架設(shè)U型鋼棚:29U型鋼棚規(guī)格為寬6.0 m,高5.0 m,棚間距800 mm,棚腿與拱部棚梁用卡纜連接,搭接長(zhǎng)度≥500 mm;兩棚之間用5根拉板拉緊,棚梁上方的空頂部分和棚腿空幫部分必須用“井”字型木垛接實(shí)。在U型棚兩側(cè)棚腿0.5 m、1.8 m高位置,棚梁兩端距卡纜0.5 m的位置各打設(shè)2根φ15.24 mm×3 500 mm錨索固定棚腿。架棚完成后及時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行混凝土噴漿封閉厚度≥120 mm,強(qiáng)度不低于C25。巷道支護(hù)示意圖如圖3所示。

        圖3 巷道支護(hù)示意圖

        3.3 支護(hù)效果

        通過(guò)對(duì)北西輔助運(yùn)輸大巷進(jìn)行礦壓觀測(cè),巷道掘進(jìn)期間,圍巖較為穩(wěn)定再未出現(xiàn)明顯下沉及漏頂現(xiàn)象,頂板淋水明顯減少,斷層面前后巷道圍巖下沉得到控制,兩幫再未發(fā)生收斂,具體巷道及圍巖表面位移變形如圖4所示。通過(guò)1#測(cè)點(diǎn)觀測(cè)分析可知,巷道仍存在底鼓現(xiàn)象,底鼓最大變形量可達(dá)到100 mm,幫部最大收斂60 mm,頂板較為穩(wěn)定,下沉量得到明顯控制。

        圖4 巷道及圍巖表面位移變形曲線圖

        4 結(jié)論

        (1)針對(duì)厚層泥巖淋水頂板巷道圍巖易失穩(wěn)問(wèn)題,分析了斷層對(duì)巷道淋水的影響因素及頂板淋水對(duì)巷道圍巖、支護(hù)破壞機(jī)理。頂板淋水的存在造成煤巖體節(jié)理、裂隙進(jìn)一步發(fā)育,巷道圍巖物理力學(xué)性質(zhì)改變,圍巖強(qiáng)度降低;受淋水影響錨桿索錨固效果明顯降低,支護(hù)構(gòu)件可靠性明顯下降。

        (2)提出了注錨架噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù),確定了適合北西輔助運(yùn)輸大巷過(guò)斷層穿層期間合理支護(hù)方案。通過(guò)實(shí)施超前卸水鉆孔、超前預(yù)注漿措施,減少頂板淋水影響,增加巷道圍巖整體性及自主承載能力,采用全錨索支護(hù)將軟弱泥巖錨固于穩(wěn)定煤層頂板中,利用后續(xù)架棚噴漿及時(shí)封閉圍巖,以解決淋水厚層泥巖頂板巷道失穩(wěn)問(wèn)題。

        (3)該支護(hù)方案在北西輔助運(yùn)輸大巷得到成功應(yīng)用,通過(guò)礦壓觀測(cè)表明,巷道過(guò)斷層穿層期間上覆泥巖頂板穩(wěn)定性得到控制,巷道移近量減少,頂板淋水明顯較弱,巷道掘進(jìn)滿足安全生產(chǎn)需要。

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