汾源煤业5-1021巷过断层围岩控制应用研究
2021-08-02李国军
李国军
(霍州煤电集团 晋北能化有限责任公司,山西 静乐 035000)
断层是在地质作用下岩层上下盘发生明显相对的位移错动而形成的一种不良工程地质。在断层的影响下,赋存稳定的岩体稳定性显著下降,表现出围岩破碎,承载性能降低等特性[1-2]。因此,在工作面巷道掘进过程遭遇断层时,需要及时探测断层的具体形态,同时对巷道进行支护补强,防止发生严重的冒顶或者巷道变形。
目前对于巷道的支护补强主要是主动支护补强和被动支护补强两种方式,即巷道围岩注浆加固和锚杆索补强[3-5]。本文以汾源煤业5-1021巷掘进时遭遇大断层为工程背景,展开巷道过断层围岩控制应用研究,保证了巷道掘进工作面的安全生产。
1 工程背景
汾源煤业5-1021工作面位于一采区,煤体赋存稳定,开采煤层是5号煤,平均煤厚为15.45 m,煤层倾角23~27°,平均25°。工作面走向长度为632 m,倾向长100 m。煤层直接顶为平均厚度为1.0 m的泥岩,薄层状,质地较软;基本顶为平均厚度为5.09 m的泥质灰岩,以粉砂泥质为主,硬度较小。煤层直接底为厚度约为2.1 m的泥岩,有明显的水平层理,岩性较软,基本底为坚硬的细砂岩,平均厚度约为5.2 m。
工作面回风巷掘进过程揭露一条正断层,断层产状为132°∠55°,落差为12.25 m。为了防止继续揭露断层导致巷道围岩发生严重破坏,计划开展对断层影响范围内巷的支护补强。
2 过断层巷道围岩补强方案
为保证5-1021巷的安全掘进,同时为今后工作面安全回采提供条件,需要对断层影响范围内巷道展开支护补强,主要从补打巷道锚杆索和巷道破碎围岩注浆加固两个方面展开。
2.1 巷道围岩注浆加固
在补打锚杆索之前,如果首先对巷道围岩展开注浆加固,可以有效地防止由于围岩破碎而使锚杆索的锚固效果减弱的风险。已知5-1021巷断面为矩形,巷道断面的平均尺寸宽×高=4.4 m×3.1 m。根据巷道的形态特征设计了注浆加固方案,钻孔布置如图1所示。
图1 5-1021巷注浆钻孔布置示意
如图1所示,注浆加固的注浆孔布置主要在巷道的顶板和两帮。在巷道顶板布置3个注浆孔,沿走向呈三花眼布置,中间的注浆孔的位置与巷道中轴线重叠,顶板注浆孔深均为10 m。同一断面内,顶板注浆孔的水平间距为2.0 m。两边的注浆孔设计的倾角为75°,与帮部水平距离为0.3 m。
工作面帮部和煤柱帮部的注浆孔布置方案一致,注浆孔均水平布置,垂直于帮部。上排钻孔距离顶板0.4 m,上下两排注浆孔的垂直距离为1.5 m。两帮的注浆钻孔深度均为8.0 m,注浆孔的直径均为76 mm。沿着巷道走向,帮部的注浆钻孔均呈三花眼布置,同一排的注浆钻孔间距为3.0 m。
注浆加固采用一种矿用的单液无机材料,该材料对环境无污染,与水混合后放出热量较小。当注浆材料水灰比为1∶1时,材料与水混合后在10 min内不凝固,60 min后强度可达2.8 MPa,1 d后强度可达11.5 MPa,3 d后强度可达15.6 MPa,能够有效地加固破碎围岩。
注浆加固系统主要是采用两个100 L的搅拌桶制备材料浆液,需要在桶内设置好水位线,采用人工上料和加水的方法使材料混合均匀,随后通过气动泵注浆。所有注浆孔的注浆压力均设计在4~5 MPa。
注浆需要先加固两帮后加固顶板,因此注浆顺序也应与之保持一致。如果发现有漏浆现象需要注浆压力,或者暂停注浆,及时清理管路后,待浆液在煤壁中凝固后继续注浆,原则上每个注浆孔注浆量均以注满为标准。
2.2 巷道支护补强方案
巷道围岩在注浆加固后整体稳定性得到提高,故而锚杆索补强加固效果会更好。因此,根据巷道断面重新设计了断层影响带的巷道支护设计方案。由于断层具有落差,而且揭露处在进风巷的工作面煤体一侧,因此在设计支护方案时,主要以加固顶板和工作面煤体侧,而煤柱以此受到断层的影响较小,故而可以采用较小的支护参数。主要是锚杆索加固以及工字钢、菱形网结合的补强方法。巷道断面的支护设计如图2所示。
图2 巷道断面支护示意(mm)
巷道顶板的支护主要由锚杆锚索支护组成,其中锚杆选用型号为D22 mm×2 500 mm的高强度螺纹钢锚杆。顶板共布置5根锚杆,锚杆间距为1 000 mm,两边的锚杆距离帮部约200 mm,倾斜仰角设计为70°。同时,顶板需要补打两根型号为D17.8 mm×8 300 mm的钢绞线锚索。从巷道的断面图来看,锚索的位置与锚杆位置重合,距离帮部的水平距离为1 300 mm,两根锚索的间距为2 000 mm。锚索与锚杆间隔布置,沿着巷道走向,锚索排距为5 m,锚杆的排距为3 m。
由于断层在工作面煤帮部分,故而在设计支护时需要适当加强支护参数。选用型号为D20 mm×2 500 mm的高强度螺纹钢,上下两排锚杆。上排锚杆仰角设计为15°,距离顶板400 mm,下排锚杆垂直于煤帮布置,并且与上排锚杆排距为1 500 mm。煤柱帮部一侧的锚杆选择D16 mm×2 000 mm的螺纹钢锚杆,锚杆的布置与工作面煤帮一致。
施工中,所有的锚杆索的锚固剂均使用树脂锚固剂,型号为MSK23355。顶底板高强度螺纹钢锚杆的锚固长度为500 mm,锚索使用的树脂锚固剂型号为Z2350,锚固长度为1 000 mm。同时,为了增大巷道内的柔性支护,在5-1021巷道内均布置菱形金属网,搭接长度为300 mm,同时在金属网上固定600 mm×30 mm的短节钢带。
3 巷道围岩变形监测分析
巷道变形量的大小能够反映巷道围岩补强方案的合理性,因此在5-1021巷完成围岩注浆加固和锚杆索支护后,在该范围内设计巷道变形的观测点。从揭露断层点为起始点,每间隔10 m布置一个,巷道的变形数据每3 d统计一次,共统计16次。
将其中一个观测点的巷道数据整理后,绘制出巷道变形特征曲线,以此分析巷道注浆加固和锚杆索补强的效果,如图3所示。
图3 5-1021巷道变形特征分析
由图3可知,5-1021巷顶板下沉量整体大于两帮移近量,两者随巷道掘进而发生变形趋势保持一致。在统计巷道变形量的48 d内,前10 d范围内的巷道变形速率最快,随后变形速率降低,前15 d是巷道主要变形的时期。根据之后的统计数据显示,巷道变形趋于不变,其中顶板最大下沉量稳定在91.5 mm,两帮移近量稳定在68.7 mm。
根据巷道变形特征可知,巷道整体变形量小,巷道围岩得到有效控制,进一步表明过断层巷道围岩补强方案合理,围岩控制效果良好。
4 结 语
1) 根据5-1021巷揭露断层的特征,结合巷道的断面形态,设计了巷道围岩注浆加固钻孔布置、注浆工艺,以及巷道锚杆索的联合补强加固方案。
2) 通过观测巷道围岩的变形特征发现,采用先注浆补打锚索的巷道,在过断层期间整体的变形量较小,最大顶板下沉量为91.5 mm,两帮移近量为68.7 mm,表明该方案有效控制了断层影响的巷道围岩变形。