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        巷道快速掘進(jìn)過斷層施工技術(shù)研究

        2021-02-06 08:24:20張惠波
        2021年1期
        關(guān)鍵詞:巖層錨索斷層

        張惠波

        (山西汾西正佳煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 隰縣 041301)

        斷層是煤炭回采時(shí)常見的地質(zhì)構(gòu)造,在斷層影響下煤層出現(xiàn)錯(cuò)位、不連續(xù),給煤炭正常回采帶來不利影響[1-3]。根據(jù)斷層發(fā)育特征采取合適的巷道掘進(jìn)過斷層技術(shù)對(duì)確保巷道掘進(jìn)安全、掘進(jìn)效率等均有顯著促進(jìn)作用[4-7]。文中就以3503運(yùn)輸巷掘進(jìn)過F3斷層為例,對(duì)過斷層施工技術(shù)展開探討,以期為巷道掘進(jìn)過斷層工作開展提供一定借鑒。

        1 工程概況

        山西某礦3503運(yùn)輸巷沿著5號(hào)煤底板掘進(jìn),巷道位于3采區(qū),東側(cè)、西側(cè)分別為3501、3505采面采空區(qū),南側(cè)為采區(qū)集中運(yùn)輸巷,北側(cè)為采區(qū)保安煤柱。3505運(yùn)輸巷為矩形斷面(巷高4.2 m、巷寬4.0 m),設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度680 m。3號(hào)煤埋深450 m、厚度3.7 m,頂?shù)装鍘r層以泥巖、砂巖混合層為主,具體巖性見表1。已有地質(zhì)資料顯示,預(yù)計(jì)3503運(yùn)輸巷會(huì)揭露6~8條斷層,以正斷層為主,其中F3斷層(H=2.0 m,∠65°)對(duì)巷道影響最大。文中就對(duì)巷道掘進(jìn)過斷層技術(shù)進(jìn)行闡述。

        表1 3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性

        2 巷道過斷層施工工藝

        2.1 掘進(jìn)技術(shù)工藝

        3503運(yùn)輸巷采用綜掘技術(shù)工藝,若采用綜掘機(jī)直接破巖則破巖工程量大、留頂煤量多、綜掘設(shè)備磨耗嚴(yán)重,不利于巷道快速掘進(jìn)。結(jié)合相關(guān)研究成果以及礦井以往過斷層經(jīng)驗(yàn),采用爆破方式,掘進(jìn)巷道掘進(jìn)方案見圖1。

        圖1 巷道掘進(jìn)方案(mm)

        1) 在巷道掘進(jìn)過程中以特定角度向下掘進(jìn),采用留頂、破底方式過斷層,但是由于斷層影響頂板巖層穩(wěn)定性較差、頂板三角煤區(qū)厚度較小、膠結(jié)穩(wěn)定性差、保留困難,不利于巖層控制,為此采用臺(tái)階法俯斜施工,以減少頂板三角區(qū)煤巖控制難度。

        2) 當(dāng)巷道掘進(jìn)至345 m位置(與斷層相距25 m),巷道按照4°俯角破巖掘進(jìn),頂板仍沿著3號(hào)煤層頂板布置;巷道掘進(jìn)至355 m位置(與斷層相距15 m)時(shí),底板破底深度達(dá)到0.7 m,此時(shí)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),確保巖層穩(wěn)定。

        3) 待對(duì)圍巖補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)完畢后,在掘進(jìn)迎頭施工俯斜爆破鉆孔破巖。爆破鉆孔按照500 mm×1 000 mm間排距施工,爆破孔深度為1 200 mm,按照5°俯角布置,共布置4排鉆孔、每排8個(gè)爆破孔。第一排爆破孔位于頂板下方700 mm位置,爆破完成后掘進(jìn)進(jìn)尺控制在1 000 mm以內(nèi)。爆破掘進(jìn)時(shí)頂板預(yù)留700 mm頂煤,完成臺(tái)階預(yù)留后,巷道高度保持不變。

        4) 巷道俯斜掘進(jìn)完成15 m后開始進(jìn)入到F3斷層上盤,此時(shí)仍采用爆破掘進(jìn)工藝掘進(jìn)5.0 m,此后采用綜掘機(jī)繼續(xù)掘進(jìn)。

        采用的掘進(jìn)過斷層技術(shù)方案不僅可滿足破巖需要,而且掘進(jìn)成本低、效率高。

        2.2 圍巖支護(hù)方案

        F3斷層影響范圍巖層裂隙發(fā)育,為此圍巖支護(hù)方案采用注漿加固+錨索鋼筋網(wǎng)+架棚支護(hù)。具體圍巖控制方案見圖2。

        圖2 圍巖支護(hù)方案

        2.2.1 圍巖注漿

        采用注漿加固方式提高圍巖穩(wěn)定性,注漿材料為MF-2型馬浮因,其中馬浮因、固特瓏按照1∶1配比混合,具有膠結(jié)時(shí)間短、滲透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可在裂隙中深度超過3.0 m。

        當(dāng)3503運(yùn)輸巷掘進(jìn)至355 m位置(此時(shí)與斷層相距15 m),在巷道頂板下方500 mm位置施工第一排注漿加固鉆孔,每排鉆孔包含3個(gè)注漿孔、孔間距為1.5 m,鉆孔孔深為5.0 m,鄰近兩排鉆孔間距為2.0 m,共計(jì)施工3排注漿鉆孔。第一排鉆孔垂直煤壁施工,后續(xù)的第二排、第三排鉆孔均按照5°俯角鉆進(jìn)。

        注漿用QB6C雙液注漿泵,壓力2~4 MPa,單個(gè)注漿孔注漿量約為300 kg,在同排注漿孔注漿時(shí)從巷道中部注漿孔開始注漿,最后對(duì)兩側(cè)注漿孔注漿。注漿完成1 h后巷道可開始掘進(jìn)。

        2.2.2 錨索、鋼筋網(wǎng)支護(hù)

        傳統(tǒng)的菱形金屬網(wǎng)支撐強(qiáng)度較低,斷層破碎巖層蠕變影響下金屬網(wǎng)出現(xiàn)較大的變形、甚至開裂,為此,巷道支護(hù)時(shí)采用鋼筋網(wǎng)帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬網(wǎng)并通過錨索來控制巷道變形。

        1) 采用的鋼筋網(wǎng)(長(zhǎng)×寬=2 000 mm×1 200 mm)用圓鋼(直徑8 mm)編制、網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。巷道每掘進(jìn)1 m后鋪設(shè)兩片鋼筋網(wǎng)護(hù)頂。

        2) 錨索(D21.6 mm×5 000 mm)通過JW鋼帶(長(zhǎng)×寬=5 000 mm×250 mm)將鋼筋網(wǎng)與頂板巖層緊密接觸,1根JW鋼帶上布置5根錨索。

        2.2.3 架棚支護(hù)

        斷層附近圍巖應(yīng)力復(fù)雜,局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中或者卸壓顯現(xiàn),降低頂板巖層穩(wěn)定性。為了確保巷道掘進(jìn)過斷層安全,決定采用架棚方式強(qiáng)化圍巖支護(hù)。

        1) 傳統(tǒng)支護(hù)時(shí)選用的矩形鋼棚由于自身強(qiáng)度低,在圍巖應(yīng)力作用下容易變形,圍巖控制效果差,為此,文中提出采用U29鋼架設(shè)梯形棚控制圍巖變形。梯形棚結(jié)構(gòu)由2根U29鋼棚腿、1根工字鋼(長(zhǎng)4.0 m、寬0.25 m)鋼梁構(gòu)成,鋼梁與棚腿間采用2個(gè)U型卡固定。

        2) 當(dāng)3503運(yùn)輸巷掘進(jìn)至360 m位置(此時(shí)與斷層間距10.0 m)開始按照1.0 m間距架設(shè)梯形棚,共計(jì)架設(shè)20架梯形棚。棚腿與頂梁間呈75°夾角,鄰近的架棚間采用連接桿拉緊固定。

        巷道在斷層下盤掘進(jìn)期間(掘進(jìn)距離360~370 m)為俯斜掘進(jìn),在俯角影響下架棚容易不穩(wěn),為此在架棚施工過程中應(yīng)采取必要的防傾倒措施,布置液壓小絞車通過鋼絲繩給架棚一定的拉力,從而避免架棚傾倒。

        3 效果分析

        在3503運(yùn)輸巷過F3斷層期間采用爆破方式掘進(jìn),圍巖控制采用注漿+鋼筋網(wǎng)、錨索+架棚方式,巷道過斷層期間掘進(jìn)工作面保持4.5 m/d掘進(jìn)進(jìn)尺速度,巷道共耗時(shí)約5 d順利通過該斷層。為了考察圍巖支護(hù)效果,在斷層影響帶內(nèi)對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。從監(jiān)測(cè)結(jié)果得知,巷道掘進(jìn)過斷層時(shí)頂板、巷板變形量分別控制在160 mm、190 mm以內(nèi),采取的圍巖支護(hù)措施可有效控制圍巖變形。

        4 結(jié) 語

        根據(jù)F3斷層賦存以及3503運(yùn)輸巷掘進(jìn)情況,提出了巷道掘進(jìn)過斷層方案并詳細(xì)對(duì)掘進(jìn)工藝、圍巖支護(hù)方案進(jìn)行闡述?,F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后巷道掘進(jìn)進(jìn)尺保持在4.5 m/d,耗時(shí)約5 d通過該F3斷層,在過斷層期間頂板巖層穩(wěn)定,未出現(xiàn)頂板冒落問題,同時(shí)圍巖變形量較小。文中所提巷道過斷層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了巷道安全、快速過斷層。研究成果為巷道快速過斷層積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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