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高河煤矿E2301胶带顺槽过断层破碎带围岩控制技术实践

2024-12-02 77 上传者：管理员

摘要：针对巷道过断层期间围岩变形量大、支护困难的问题，以山西高河能源有限公司E2301胶带顺槽为研究对象，采用理论分析和现场实测的研究方法，对断层破碎带巷道围岩结构和力学特征进行了分析，采用短掘短支的施工工艺和“超前注浆+锚网索+梯子梁”联合支护方案，有效控制了巷道过断层破碎带围岩变形，为巷道稳定和工作面安全生产提供了保障。

关键词：
围岩控制
地质构造
地质活动
掘进巷道
断层破碎带
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受煤层赋存条件的影响，巷道掘进期间有时需穿越断层、陷落柱等地质构造。地质构造影响范围内煤岩层完整性差、破碎程度大，严重威胁巷道稳定性和工作面安全生产[1-3]。就断层而言，地质活动导致断层上下盘煤岩层沿断层面发生相对位移，在其影响范围内煤岩层具有完整性差、破碎程度大、强度低、承载能力和稳定性严重降低等特征[4-5]。随着掘进工作面推进，采掘扰动打破了断层破碎带初始的应力平衡状态，断层上下盘煤岩层应力集中程度显著增大，导致巷道过断层破碎带期间极易发生冒顶、片帮和底鼓现象[6-7]。

如何确保掘进巷道过断层期间的围岩稳定，一直是相关研究人员关注的焦点问题。宋文侠通过分析长平矿4320回风措施巷过断层破碎带围岩破碎机理，提出了“超前注浆加固+锚杆索支护+工字钢补强”的围岩控制措施[8]。郭鑫琳基于高阳矿21108材料巷过断层段工程地质特征，提出了“锚杆索+钢筋网+钢带”联合支护方案[9]。王宏建采用理论分析和数值模拟研究的方法，分析了掘进工作面过断层期间的围岩变形特征，提出了“锚杆+锚索”的联合支护方案[10]。由于不同矿井煤层赋存条件、断层发育特征和应力环境等存在较大差异，因此需针对具体的工程地质条件制定针对性的掘进巷道过断层控制方案，以确保采掘工作面生产安全。

1、工程概况

山西高河能源有限公司高河矿（简称“高河矿”）现开采山西组3#煤层，煤层平均埋深325 m，均厚6.8 m，倾角0°～10°，平均倾角5°，结构简单，赋存稳定，为全区可采厚煤层。3#煤层直接顶为泥岩，厚度1.5 m，黑色，薄层状，具韵律层理，含煤纹，中部夹薄层粉砂岩；老顶为砂至泥岩，厚度8.06 m，浅黑色，薄层状，水平纹理含丰富不完整植物化石，中部夹薄成砂岩；直接底为粉砂质泥岩，厚度0.45 m，灰黑色，含丰富的植物根部化石；老底为粉砂岩-砂质泥岩，厚度7.2 m，深灰色，中厚层状，水平纹理为主，具波状层理，正粒序。

E2301工作面位于3#煤层二采区北翼，采用两进一回Y型布置方式，其中E2301胶带顺槽设计长度1 449.9 m，沿3#煤层底板布置，采用矩形断面，宽5 300 mm，高3 750 mm，断面积19.875 m2，担负E2301工作面原煤运输、通风和行人任务。根据三维勘探资料，E2301胶带顺槽开口里程251 m将揭露Fw118逆断层，落差H=2.8～3.8 m，倾角50°，走向N16°W，倾向S74°W。Fw118断层影响范围内煤层及其顶板裂隙发育，巷道围岩较为破碎，承载能力及稳定性较差，易发生顶板事故。E2301工作面布置及断层位置如图1所示。

图1 E2301工作面布置及断层位置图

2、断层破碎带围岩稳定性分析

2.1 断层破碎带巷道围岩结构特征分析

断层破碎带的产生是因为岩层在超过自身承载极限的地应力作用下发生破坏和相对位移。岩石被破坏后岩层裂隙发育，完整性被破坏，承载能力降低，此时的地层形成裂隙岩层并沿裂隙不断发育直至出现位移偏差，进而形成断层[8]。断层构造使原本完整连续的岩层在空间上分解成若干空间曲面，是威胁矿井生产安全的主要构造类型之一[3]。

2.2 断层破碎带巷道围岩力学特征分析

断层破碎带范围内岩层在地应力作用下原始应力平衡状态被破坏，岩层发生破坏和位移后应力得以释放而形成新的应力平衡状态，此时断层破碎带范围内岩层呈不连续状态，且存在附加应力[9]。在巷道掘进工作面推进至断层破碎带范围附近时，巷道掘进产生的超前支撑应力与断层破碎带内存在的附加应力双重作用下，断层破碎带岩层新的应力平衡状态被再次破坏，岩石被进一步破坏而产生大量裂隙，导致岩石破碎程度进一步增加，承载能力进一步降低，为过断层巷道支护提出了更高的要求。

3、过断层巷道围岩控制方案

基于对断层破碎带巷道围岩结构特征和力学特征的分析结果，针对正常掘进段循环进尺为2 m的施工工艺和“锚网索”支护方式，提出过断层段巷道采用短掘短支的施工工艺，要求每循环进尺不超过1 m，同时提出采用“超前注浆+锚网索+梯子梁”联合支护方案对过断层段巷道围岩进行控制。

3.1 超前注浆方案

断层破碎带围岩超前注浆后，注浆液充满断层破碎带内岩层裂隙，注浆液的粘结作用增强了断层破碎带内破碎煤岩体的完整性，使其粘聚力、内摩擦角和断裂应力大幅度提高，进而断层破碎带围岩在巷道掘进扰动影响下不易发生破坏，有效防止断层破碎带内裂隙发育和扩展的同时，减小了断层破碎带围岩的渗透性，有效控制巷道顶板淋水。根据高河矿E2301胶带顺槽工程地质条件，设计采用分段前进式循环注浆工艺，在巷道掘进至断层破碎带附近时，在巷道掘进迎头施工超前注浆钻孔，对断层破碎带围岩进行超前预注浆加固。

根据E2301胶带顺槽断面参数，设计E2301胶带顺槽过Fw118断层破碎带时在巷道掘进迎头布置3排共11个超前注浆钻孔，编号为1#～11#，其中1#、5#、9#和11#钻孔倾角为10°，水平偏角为15°；2#和4#钻孔倾角为12°，水平偏角为12°；3#和10#钻孔倾角为15°，水平偏角为0°；6#、7#和8#钻孔垂直掘进工作面布置，7#钻孔水平偏角为0°，6#和8#钻孔水平偏角为10°；钻孔直径均为42 mm，孔深15 m，按照1#～11#钻孔依次施工。注浆材料选用普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8∶1，设计最低注浆压力为8 MPa，注浆流量控制在20～30 L/min，注浆孔封孔长度为1.2 m。超前注浆采用循环递进式施工工艺，即在首次注浆完成2 h后进行巷道掘进施工，巷道推进8 m后进行再次注浆。超前注浆钻孔布置方式如图2所示。

图2 超前注浆钻孔布置断面图（单位：mm)

3.2 永久支护方案

根据E2301胶带顺槽实际工况和过断层期间巷道围岩结构及变形特征，设计采用“锚网索+梯子梁”的过断层段巷道永久支护方式，E2301胶带顺槽过断层破碎带期间支护断面如图3所示。

图3 巷道支护断面图（单位：mm)

1）顶板支护

由于断层可能沟通含水层，导致掘进期间巷道顶板出现淋水现象。设计顶板锚杆采用耐腐蚀的ϕ22 mm×2 400 mm的镀锌锚杆，每排等间距布置7根，间排距为800 mm×1 000 mm。顶角锚杆在距巷帮250 mm处与竖直方向呈10°夹角布置，其余锚杆均垂直顶板布置。每根锚杆配套使用CK2335和Z2360型锚固剂各1支进行锚固。锚杆托盘采用170 mm×170 mm×12 mm高强拱形托盘，配套采用ϕ14 mm圆钢加工制成的7孔800 mm×5 000 mm（宽×长）双筋梯子梁和10#铅丝加工制成的规格为5 500 mm×1 100 mm的铅丝网。锚索选用ϕ22 mm×8 300 mm高强度钢绞线锚索，每排垂直顶板布置3根，间排距为1 400 mm×1 000 mm。每根锚索采用1支CK2335和2支Z2360锚固剂锚固。锚索托盘采用300 mm×300 mm×14 mm矩形钢板托盘。

2）巷帮支护

巷道两帮锚杆均选用ϕ22 mm×2 400 mm左旋无纵肋高强螺纹钢锚杆，每帮每排等间距布置5根，间排距为800 mm×1 000 mm。帮上部锚杆距顶板250 mm处呈10°仰角布置，帮下部锚杆距底板300 mm处呈10°俯角布置，其余锚杆均垂直巷帮布置。每根锚杆配套使用CK2335和Z2360型锚固剂各1支进行锚固。锚杆托盘采用170 mm×170 mm×12 mm高强拱形托盘，配套采用ϕ14 mm圆钢加工制成的3孔800 mm×1 800 mm（宽×长）单筋梯子梁和10#铅丝加工制成的规格为2 200 mm×1 100 mm的铅丝网。

4、工业性试验

高河矿E2301胶带顺槽在掘进至Fw118断层破碎带前方约10 m位置处开始进行超前注浆，对断层破碎带围岩进行加固，并采用“锚网索+梯子梁”联合支护方式控制围岩，在巷道过Fw118断层破碎带10 m后停止超前注浆。为掌握E2301胶带顺槽过断层破碎带期间围岩控制效果，分别在巷道过断层前、过断层处和过断层后位置分别布置1#、2#和3#测站，对巷道顶板离层和表面位移数据进行观测。

4.1 巷道顶板岩层离层分析

1#、2#和3#测站顶板离层仪布置1个月后的巷道顶板岩层离层累计量观测结果如表1所示。由表1可知，相较于1#和3#测站顶板离层仪读数，2#测站顶板离层仪读数较大，但其浅部基点读数仅为8.0 mm，深部基点读数仅为14.5 mm，远小于其100 mm的安全预警值，表明E2301胶带顺槽过Fw118断层破碎带期间顶板离层控制效果显著。

表1 巷道顶板岩层离层量观测数据

4.2 巷道表面位移分析

E2301胶带顺槽内1#、2#和3#测站观测到的巷道表面位移曲线变化趋势基本一致，但2#测站观测到的巷道表面位移峰值最大，2#测站处巷道表面位移观测结果如图4所示。

图4 巷道表面位移量变化曲线

由图4可知，过断层段巷道采用“超前注浆+锚网索+梯子梁”的联合支护方案后，巷道围岩表面位移曲线整体上可划分为初期快速增长段、中期缓慢增长段和后期趋于稳定段三个阶段，即巷道掘进后支护初期（0～9 d），表面位移量增长速率较大，巷道围岩表面位移量呈线性增长；支护中期（9～27 d），表面位移量增长速率逐渐减小，巷道围岩表面位移量呈缓慢增长趋势；支护后期（27 d以后），表面位移量增长速率趋近于0，巷道围岩表面位移量不再发生显著变化。在为期45 d的观测时段内，巷道顶板最大下沉量为28.72 mm，最大底鼓量为22.46 mm，左帮最大移近量为14.26 mm，右帮最大移近量为12.95 mm，表明采用“超前注浆加固+锚网索+梯子梁”联合控制方案后，过断层段巷道围岩变形控制效果较好，巷道掘进过程中安全通过断层破碎带，为工作面安全高效生产提供了保障。

5、结论

基于高河煤矿E2301胶带顺槽过Fw118断层破碎带的实际生产地质条件，分析指出巷道掘进扰动破坏了断层破碎带围岩初始应力平衡状态，致使围岩应力集中程度增加，煤岩层破碎程度进一步增大，完整性、强度、承载能力和稳定性进一步降低。采用“短掘短支”施工工艺和“超前注浆+锚网索+梯子梁”联合支护方案后，过断层段巷道围岩变形控制效果显著，确保了工作面生产安全，为类似工程地质条件矿井提供了一定的借鉴。

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[9]郭鑫琳.高阳矿21108材料巷过断层支护技术应用[J].江西煤炭科技,2023(03):54-56+59.

[10]王宏建.布尔台煤矿掘进工作面过断层巷道支护技术研究[J].煤炭工程,2023,55(04):71-76.

文章来源:牛亚杰.高河煤矿E2301胶带顺槽过断层破碎带围岩控制技术实践[J].晋控科学技术,2024,(06):39-43.