斷層破碎頂板冒頂巷道修復(fù)技術(shù)研究

1、收稿日期:20101017基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50774077;煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助(SKLCRSM08X04;全國博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(200760;教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET 060475作者簡介:劉洪林(1984,男,四川宜賓人,碩士研究生,研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制。斷層破碎頂板冒頂巷道修復(fù)技術(shù)研究劉洪林1,柏建彪1,2,馬述起1,許磊1(1.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州221008;2.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州221008摘要:由于斷層帶附近圍巖破碎程度高、范圍大,掘進(jìn)工作面與斷層相遇時(shí)極易發(fā)生

2、冒頂事故。為了防止冒頂范圍的擴(kuò)大,實(shí)現(xiàn)冒頂巷道的安全、快速修復(fù),文章結(jié)合張雙樓礦7425材料巷的實(shí)際情況分析了斷層破碎頂板冒頂巷道的冒頂特征和原因;針對(duì)“漏冒型”巷道內(nèi)松散煤巖體自穩(wěn)能力差、隨掘隨漏的特點(diǎn),提出了“撞楔法”進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)和構(gòu)造“假頂”、化學(xué)注漿加固假頂、“錨網(wǎng)索+架棚”聯(lián)合支護(hù)相結(jié)合的斷層破碎頂板冒頂巷道修復(fù)技術(shù)。結(jié)果表明,該技術(shù)在保證施工安全的同時(shí)提高了圍巖整體性和承載性能,巷道修復(fù)效果理想。關(guān)鍵詞:斷層交錯(cuò)帶;冒頂;注漿;修復(fù);撞楔法中圖分類號(hào):TD353文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):16710959(201104-0076-04Research on Repair Techno

3、logy of Mine Roadway withBroken Roof and Roof Falling in FaultLIU Hong lin 1,BAI Jian biao 1,2,MA Shu qi 1,XU Lei 1(1.School of Mining Engineering ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou 221008,China ;2.State Key Lab of Coal Resources and Safety Mining ,Xuzhou 221008,China Abstract :Due t

4、o high broken and high scope surrounding near the fault ,a roof falling accident would be easily occurredwhen the driving face met a faultIn order 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 conditi

5、ons of No.74256material 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 faultAccording to the poor self stability of the soft coal and rock mass and the roof falling with the driving features of the

6、 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 “artificial roof ”,chemical grouting reinforced artificial roof ,“bolt /steel mesh /anchor +square suppo

7、rt ”The results showed that the support technology could ensure the construction safety and could improve the surrounding rock integration and the loading performancesThe repair effect of the gateway was rationalKeywords :cross bedding zone of fault ;roof falling ;grouting ;repair ;wedge method 斷層是煤

8、礦開采中常見的一類地質(zhì)構(gòu)造形態(tài),在其形成過程中通常伴隨著巨大的能量釋放,因此斷層帶附近圍巖一般比較破碎13。斷層的出現(xiàn)給礦井安全生產(chǎn)和掘進(jìn)工作造成了極大的影響,當(dāng)掘進(jìn)工作面與斷層相遇時(shí),由于頂板破碎程度高、破碎范圍大,巷道極易發(fā)生冒頂事故。鑒于目前探測技術(shù)和手段的局限性,還很難對(duì)回采巷道前方地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測從而采取預(yù)防措施,所以當(dāng)回采巷道與斷層帶相遇時(shí)冒頂事故很難避免。因此,開展斷層破碎頂板冒頂巷道修復(fù)技術(shù)研究對(duì)于斷層帶附近發(fā)生冒頂?shù)南锏缹?shí)現(xiàn)安全、快速修復(fù)和掘進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。1工程概況張雙樓煤礦7425工作面位于1000m 水平西一采區(qū),煤層厚度1.5 8.8m 、平均5.2m ;煤

9、層傾角24 38、平均29;煤層頂?shù)装寰鶠槟鄮r,巖層綜合柱狀圖如圖1所示。7425材料巷埋深1037m ,設(shè)計(jì)全長為697m ,巷道采用炮掘,斷面為矩形,毛斷面尺寸3800mm 2800mm ,凈斷面尺寸3600mm 2700mm 。原設(shè)計(jì)支護(hù)形式為錨梁網(wǎng)加錨索聯(lián)合支護(hù),頂、幫錨桿分別采用222400mm 、202000mm 等強(qiáng)螺紋鋼錨桿,頂板采用18.96250mm 的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索,巷道支護(hù)斷面圖如圖2所示 。2巷道冒落特征7425材料巷自D1導(dǎo)線點(diǎn)開始掘進(jìn)的118m 巷道一共揭露了三條斷層,分別為逆斷層F 120,H5m ;正斷層F 265,H5.3m ;正斷層F 352,H2.5m

10、 。其中F 2與F 3為兩條交錯(cuò)斷層,當(dāng)7425材料巷掘至F 2、F 3斷層交錯(cuò)帶時(shí)發(fā)生冒頂。巷道冒頂高度約8 10m ,沿巷道走向冒頂段長度約4m ,冒落形狀近似“漏斗狀”,冒落煤矸約30m 3,呈散體分布、隨掘隨漏。經(jīng)過對(duì)冒頂區(qū)域的觀察和斷層要素的實(shí)測發(fā)現(xiàn)F 2、F 3斷層呈“V ”形相交,巷道冒頂類型為“漏冒型”,實(shí)測工程地質(zhì)剖面圖如圖3所示。通過對(duì)7425材料巷冒頂特征及工程地質(zhì)條件的分析,得出該巷發(fā)生冒頂?shù)闹饕蚴?1斷層構(gòu)造帶影響。掘進(jìn)工作面迎頭與F 2、F 3斷層“V ”形交錯(cuò)帶相遇,該段巷道頂板圍巖十分破碎。同時(shí),掘進(jìn)過程中放炮對(duì)不穩(wěn)定圍巖產(chǎn)生一定的擾動(dòng),容易誘發(fā)破碎頂板大面

11、積垮落從而造成巷道冒頂。2巷道埋深大。巷道埋深約為1037m ,屬于深井巷道,原巖應(yīng)力高,巷道維護(hù)困難。3煤層傾角大。煤層傾角為24 38、平均29,該類煤層巷道圍巖自穩(wěn)能力差、不能均勻承載,巷道支護(hù)難度大,容易發(fā)生冒頂46。4巖體強(qiáng)度低、地層結(jié)構(gòu)差。7煤頂?shù)装逡阅鄮r、砂泥巖為主,巖石強(qiáng)度較低,且煤、巖層厚度變化較大,對(duì)巷道維護(hù)也極為不利 。圖3斷層冒落帶剖面圖3冒頂巷道修復(fù)技術(shù)通過對(duì)7425材料巷冒頂特征的分析,針對(duì)該巷所屬地層傾角大、結(jié)構(gòu)差、巖體強(qiáng)度低的特點(diǎn)及巷道冒頂段位于斷層交錯(cuò)帶頂板異常破碎、冒頂高度大的特殊情況,為安全快速通過斷層交錯(cuò)帶,該冒頂巷道修復(fù)的技術(shù)思路是:首先采用“撞楔法”

12、對(duì)冒頂巷迎頭進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)、構(gòu)造人工假頂;再對(duì)松散煤巖體注漿,加固人工假頂、充填冒空區(qū);最后在錨網(wǎng)索支護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行套棚加強(qiáng)支護(hù)。3.1臨時(shí)支護(hù)及構(gòu)造假頂技術(shù)由于7425材料巷與斷層交錯(cuò)帶相遇,巷道頂板十分破碎且冒漏的煤巖體呈散體分布、自穩(wěn)能力差(隨掘隨漏。為保障巷道修復(fù)期間的施工安全、防止修復(fù)掘進(jìn)過程中頂板的繼續(xù)冒落,必須對(duì)冒頂區(qū)進(jìn)行有效的臨時(shí)支護(hù)和構(gòu)造人工假頂。針對(duì)7425材料巷的漏冒特點(diǎn)及斷層交錯(cuò)帶的地質(zhì)構(gòu)造特征,決定采用“撞楔法”對(duì)冒頂段迎頭進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)并以此構(gòu)造人工假頂。具體做法是:先在巷道迎頭架設(shè)兩架工字鋼“對(duì)棚”作為拖梁,采用844000mm的無縫鋼管作為撞楔,將其放在拖梁上以間距為

13、250mm、仰角為25撞入迎頭破碎煤巖體中。3.2破碎圍巖注漿技術(shù)巷道修復(fù)過程中破碎頂板會(huì)繼續(xù)漏頂,冒空區(qū)也可能繼續(xù)跨落,單純使用“撞楔法”很難保持所構(gòu)造人工假頂?shù)姆€(wěn)定性。為了提高人工假頂?shù)姆€(wěn)定性,保證施工安全和巷道修復(fù)效果,還需要對(duì)人工假頂破碎煤巖進(jìn)行注漿加固、冒空區(qū)進(jìn)行注漿充填。煤巖體注漿加固就是利用漿液來充填和固結(jié)圍巖(或煤層的裂隙面,過去的研究表明79:破碎煤巖注漿加固以后其彈性模量、內(nèi)聚力、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)都有明顯的提高。破碎煤巖注漿加固在改善巖體力學(xué)性能的同時(shí)也提高了圍巖整體性、增加了其自身承載能力,有利于圍巖穩(wěn)定。鑒于7425材料巷冒頂段巷道頂板破碎程度高、

14、圍巖自穩(wěn)能力差的特點(diǎn),及化學(xué)漿液具有可注性好、滲透能力強(qiáng)、固結(jié)性能好、固化速度快、時(shí)間可調(diào)的優(yōu)點(diǎn),所以決定采用化學(xué)漿液對(duì)該巷道冒頂段人工假頂進(jìn)行注漿加固和冒空區(qū)充填。1注漿材料選擇。破碎頂板注漿加固和冒空區(qū)注漿充填的目的不同,所以注漿材料選擇標(biāo)準(zhǔn)也不同。根據(jù)注漿加固和注漿充填的不同側(cè)重點(diǎn),注漿加固材料選擇力學(xué)性能較好的“固安特”漿液,注漿充填材料選擇膨脹系數(shù)較大的“漏必堵”漿液。2注漿孔布置。根據(jù)注漿范圍的不同,分別以仰角45、間距1500mm沿巷道頂板布置三個(gè)孔徑為42mm、深度為5000mm的加固材料注漿孔,以仰角60、間距2000mm沿巷道頂板布置兩個(gè)孔徑為42mm、深度為8000mm的

15、充填材料注漿孔。由于圍巖破碎程度高,注漿孔成孔效果差,注漿過程中采用自攻鉆桿做為注漿管。注漿孔布置如圖4、圖5所示。3注漿順序。注漿過程中先對(duì)破碎頂板進(jìn)行注漿加固,然后再對(duì)冒空區(qū)進(jìn)行注漿充填。注漿過程中,各注漿孔交替注漿。4注漿壓力及注漿量。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)特征及注漿材料性質(zhì),注漿壓力應(yīng)控制在2 3MPa范圍內(nèi)。注漿過程中,發(fā)現(xiàn)注漿泵壓力表度數(shù)明顯上升時(shí)停止注漿。3.3掘進(jìn)及支護(hù)工藝為了減小放炮對(duì)斷層交錯(cuò)帶破碎煤巖體的擾動(dòng),冒頂段巷道掘進(jìn)過程中使用風(fēng)鎬和側(cè)卸式裝煤機(jī)進(jìn)行施工。當(dāng)掘進(jìn)尺度達(dá)到700mm時(shí),先采用錨網(wǎng)梁、錨索支護(hù);再進(jìn)行套棚支護(hù),棚腿用兩根錨桿固定生根,兩架棚之間安裝防倒器,空頂、

16、空幫、空肩窩處用磷鎂土方木背實(shí)。巷道修復(fù)過程按照“破碎圍巖注漿加固高深冒空區(qū)注漿充填掘進(jìn)并支護(hù)”循環(huán)施工,直到完全通過斷層交錯(cuò)帶 。4修復(fù)效果通過應(yīng)用斷層破碎頂板冒落巷道修復(fù)方案在現(xiàn)場進(jìn)行施工,7425材料巷修復(fù)效果十分顯著。冒頂段巷道修復(fù)過程中沒有發(fā)生頂板冒漏現(xiàn)象,1d后使用鉆孔窺視儀檢驗(yàn),“固安特”漿液均勻擴(kuò)散,加固材料將破碎煤巖體重新膠結(jié)為具有較高承載性能的整體;“漏必堵”漿液基本充滿了冒空區(qū),注漿效果良好。經(jīng)過6個(gè)施工循環(huán)以后,材料巷順利通過了F2、F3斷層交錯(cuò)帶。同時(shí),冒頂段巷道經(jīng)過修復(fù)以后圍巖變形得到了有效控制,現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果如圖6所示 。圖6巷道圍巖變形曲線(下轉(zhuǎn)第81頁可以看出,

17、在7尺度下,殘差信號(hào)的自相關(guān)序列、功率譜序列、均值和方差與白噪聲更相近。因此,確定在7尺度下所提取的趨勢項(xiàng)為傾角信號(hào),提取的趨勢項(xiàng)如圖5所示。 圖5罐道傾斜狀態(tài)下的傾角信號(hào)應(yīng)用式(4對(duì)罐道傾斜狀態(tài)下傾角傳感器輸出的傾角信號(hào)進(jìn)行計(jì)算,可得到罐道在OYZ 平面內(nèi)的投影,即罐道沿井深在Y 方向的偏斜量,如圖6所示。由計(jì)算結(jié)果可知,在Y 方向上,提升系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系墓薜涝诰顬?.5m 處發(fā)生傾斜,傾斜的角度為2.86,由于罐道是單方向傾斜,其最大偏移量為35mm ,分析所得結(jié)果與當(dāng)初試驗(yàn)設(shè)置的罐道傾斜缺陷情況一致。 圖6罐道沿井深的偏斜3結(jié)論本文本著“防患于未然”的目的,對(duì)剛性罐道偏斜的早期偏斜狀態(tài)

18、進(jìn)行了檢測和診斷。通過對(duì)礦井罐道偏斜狀態(tài)進(jìn)行分析,得出了應(yīng)用傾角傳感器可以檢測罐道偏斜狀態(tài)的結(jié)論。同時(shí),根據(jù)剛性罐道傾斜的緩變性以及傾角傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn),提出了應(yīng)用小波多分辨分析對(duì)傾角信號(hào)進(jìn)行趨勢項(xiàng)的提取,進(jìn)而得到罐道偏斜的傾角信號(hào),然后利用罐道傾角與罐道偏斜量之間的關(guān)系可以得到罐道的水平偏斜量,該信號(hào)反映了罐道偏斜的故障特征,據(jù)此可以得到罐道偏斜故障的位置以及嚴(yán)重程度。參考文獻(xiàn):1王荃,趙理強(qiáng)鋼軌罐道變形危害分析及處理J 河北煤炭,2000,(3:5 62喬紅兵,陳大峰立井剛性罐道井筒裝備的安裝J 煤炭工程,2003,(6:38 393隋惠權(quán),蘇仲杰,劉文生立井罐道測斜儀的研制J 阜新礦

19、業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,1994,13(4:38 414齊子元,米東,徐章隧小波多分辨分析的頻帶閾值去噪方法J 噪聲與振動(dòng)控制,2008,(2:130 1325陳士海,魏海霞,杜榮強(qiáng)爆破震動(dòng)信號(hào)的多分辨小波分析J 巖土力學(xué),2009,30(4:135 1396Mallat ,SA theory for multi resolution signal decomposition J IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence ,1989,11(7:674 693(責(zé)任編輯趙巧芝櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗(上接第78頁斷層破碎頂板冒頂巷道修復(fù)以后30d 左右巷道變形趨于穩(wěn)定,頂板最終下沉量約為43mm ;兩幫移近量約為56mm 、底鼓量約為21mm ,圍巖控制效果十分理想。5結(jié)論1分析了張雙樓礦斷層破碎頂板巷道的冒頂特征,指出了該類巷道發(fā)生冒頂?shù)闹饕蚴菙鄬影l(fā)育、頂板破碎和煤層傾角大。2針對(duì)斷層交錯(cuò)帶冒頂巷道頂板破碎程度高,圍巖穩(wěn)定性差,巷道隨掘隨漏的特點(diǎn),提出了“撞楔法”構(gòu)造人工假頂并對(duì)冒頂區(qū)域進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)的圍巖控