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深部开采软岩巷道过断层围岩控制技术

2024-01-12 11 上传者：管理员

摘要：深部开采软岩巷道过断层时普遍面临支护难度高、围岩控制效果不佳等问题。文章以某矿31303进风巷过F4、F4-1断层为工程背景，结合现场条件提出采用锚网索喷+围岩注浆+帮角和底板锚注为核心的围岩控制措施，现场应用表明，31303进风巷过断层期间围岩变形量较小，可满足后续使用需要。

关键词：
断层破碎带
深部开采
煤炭资源
耦合支护
软岩巷道
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随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，越来越多的矿井进入到深部区域回采，深部开采时受地应力、瓦斯、地质构造、软岩、水等不利因素影响更趋明显[1,2]。巷道掘进揭露断层概率及围岩控制难度明显增大，特别是软岩巷道回采过断层时，如何实现巷道围岩变形有效控制是深部开采巷道掘进期间需要重点解决的问题[3,4]。为此，众多的学者及技术人员对软岩巷道过断层围岩控制技术展开研究，其中梅成成等[5]针对鑫汇矿-1070 m水平石门在断层影响下出现的片帮、冒顶等问题，提出通过超前管棚注浆、锚梁网喷、钢支架以及长锚索联合支护方式，现场应用后巷道顶底板、巷帮变形量均控制在250 mm以内，实现了深部断层影响区软岩巷道围岩变形的有效控制；周萌等[6]针对深部高应力软岩巷道掘进过断层期间面临的围岩破碎、地应力及构造应力影响突出等问题，综合理论分析、钻孔窥视等技术手段分析巷道围岩松动破坏范围，发现顶板、巷帮最大破坏深度可分别达到5.2 m、2.2 m, 随后提出综合浅部锚杆注浆、深部锚索注浆以及锚索集中补强等手段控制围岩变形，现场应用取得较好效果；梁日军[7]针对马道沟矿三采区轨道巷过F13断层期间受顶底板破碎、构造复杂、围岩松软等因素影响，导致巷道围岩支护难度大，在通过FLAC3D软件对原支护条件下围岩稳定性分析基础上，提出通过25U型钢强化断层影响范围内顶板、巷帮支护强度，采用金属网片、混凝土加固底板，现场应用后有效降低了断层影响区轨道巷围岩变形量。上述研究成果为深部开采软岩巷道过断层围岩控制工作提供了宝贵经验，但是不同矿井间的地质条件、构造分布等存在明显差异，应根据现场条件针对性地提出巷道围岩控制技术措施。本文以山西某矿31303进风巷掘进过F4-1、F4断层为工程实例，对制约巷道掘进过断层期间导致围岩破碎的主要问题进行分析，并针对性给出围岩控制技术，实现了断层影响区巷道围岩变形的有效控制。

1、工程概况

山西某矿现阶段生产集中在13号煤层，煤层埋深均值680 m, 厚度均值3.0 m, 倾角0°～8°,顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩等为主，顶底板均为典型的软岩。31303综采工作面设计走向长度1 980 m、倾斜长度190 m, 具体采面位置如图1所示。31303进风巷采用综掘方式掘进，设计为直墙半圆拱断面，巷宽5 600 mm、巷高4 400 mm, 巷道掘进期间揭露有F4断层(H=2.4 m, 5°∠10～85°)、F4-1断层(H=8 m, 55°∠38～84°),预计断层影响31303进风巷长度为150 m, 在断层影响范围内巷道围岩更为破碎。

图1 采面位置示意

2、围岩控制技术

31303进风巷掘进过断层期间面临的主要问题有：

1) 31303进风巷顶底板均为承载能力较差的软岩，在断层影响下巷道围岩更加破碎，承载能力差，导致过断层期间围岩变形控制难度高；

2) 回采的13号煤层埋深均值为680 m, 煤层埋深大，地应力影响显著；

3) 在F4、F4-1断层影响范围构造应力发育，原设计的锚杆索、工字钢架棚等支护方式，由于支护强度低、锚杆索布置参数及长度不合理等，无法实现围岩变形有效控制。

因此，需要结合31303进风巷过F4、F4-1断层实际情况，针对性地给出围岩控制技术方案。结合矿井以往巷道过断层影响范围内围岩控制经验，提出采用锚网索喷+围岩注浆+帮角和底板锚注方式控制围岩，提高巷道围岩整体稳定性及强度，使得支护用锚网索与围岩耦合，共同抵抗地应力及构造应力等对围岩变形的影响。

2.1 巷道过断层围岩支护设计

2.1.1 锚网索耦合支护

31303进风巷过断层影响范围内时，采用短掘短支方式，巷道掘进后及时喷射厚度为50 mm、强度C25混凝土封闭围岩，减少水、空气等对巷道的影响。采用高强预紧力锚杆(规格Φ22 mm×2 500 mm螺纹杆锚杆)对顶板及巷帮进行支护，布置间排距为800 mm×800 mm, 使用1卷MSK2850+2卷MSZ2850树脂锚固剂锚固，确保锚固力在100 kN以上，锚杆预先施加的扭矩在300 N·m以上；在进风巷拱部通过规格为Φ21.8 mm×9 200 mm的锚索强化支护，布置间排距为1 200 mm×1 200 mm, 锚索采用1卷MSK2850+3卷MSZ2850树脂锚固剂锚固，端头锚固强度在120 kN以上。钢筋托梁使用Φ14 mm的钢筋焊接制作，金属网由Φ6 mm的镀锌铁丝编制而成，网片规格为2 000 mm×1 000 mm.支护完成后喷射厚度为100 mm、强度C25的混凝土。

2.1.2 围岩注浆

在过断层期间采用规格Φ20 mm×2 200 mm的无缝钢管作为注浆管进行壁后注浆，布置间排距为1 600 mm×1 600 mm.注浆浆液为水泥单液浆，水灰质量比控制在(0.7～1.0)∶1,在浆液中按照水泥用量的2%掺加早强减水剂。注浆时将压力控制在2 MPa左右。

2.1.3 底板及帮角锚注

进风巷底板使用锚注方式进行加固，采用的注浆管为规格Φ20 mm×2 200 mm的无缝钢管，按照1 600 mm×1 600 mm间排距布置；底板首先按照设计要求进行挖底，随后浇筑混凝土地坪，实现表层封闭，最后对底板进行注浆，提高浅部破碎岩体承载能力及整体强度。

帮角位置则主要通过锚索进行加固，采用的补强锚索规格为Φ21.8 mm×6 200 mm的钢绞线。

进风巷在过断层期间围岩支护断面如图2所示。

图2 围岩支护断面(单位：mm)

2.2 围岩控制效果

进风巷掘进过F4、F4-1断层时按照50 m间隔布置测点对围岩变形量进行监测，具体获取的围岩变形监测结果如图3所示。

图3 围岩变形监测结果

从图中看出，随着支护时间不断增加，进风巷围岩变形量及增加趋势不断降低，其中围岩变形监测至100 d时顶底板、巷帮平均变形量分别为166 mm、218 mm, 围岩变形收敛速度降至0.5 mm/d以下，变形基本趋于稳定。由此说明，在进风巷过断层期间采用的锚网索喷+围岩注浆+帮角和底板锚注支护方式可实现深部软岩巷道过断层期间围岩变形的有效控制，满足巷道后续使用需要。

3、结语

针对31303进风巷过F4、F4-1断层期间受埋深大(地应力显现明显)、围岩破碎、顶底板为软岩以及构造应力等多因素影响导致的巷道围岩变形量大、支护难度大以及围岩变形控制效果不佳等问题，结合现场条件，提出综合采用锚网索喷+围岩注浆+帮角和底板锚注支护方式支护围岩，掘进完成后及时进行初喷、支护后及时进行复喷，可及时封闭破碎围岩、降低水及空气对围岩的风化影响，同时提升支护体系与围岩耦合的效果。通过围岩注浆+帮角和底板锚注支护方式可提升破碎围岩整体强度并对围岩薄弱环节进行补强加固，降低构造应力、地应力等对围岩变形的影响。

工程应用表明，进风巷过断层期间采用的围岩支护方式可有效控制破碎软岩变形，支护完成100 d后围岩变形量基本趋于稳定，其中顶底板、巷帮平均变形量分别为166 mm、218 mm, 围岩变形量较小，可满足巷道后续使用需要。

参考文献:

[1]石艳阳.深部断裂带巷道变形特征及稳控技术研究[J].山东煤炭科技,2022,40(6):13-15,18,21.

[2]李敬敬.复杂应力区煤巷巷道修复加固技术研究[J].能源与节能,2022(10):105-108,209.

[3]王晓明,孟现锋.嵩山煤矿复杂应力软岩巷道支护研究与实践[J].内蒙古煤炭经济,2022(19):37-39.

[4]王志修,原野,于世波.逆断层影响区域破碎巷道稳定性控制对策分析[J].矿冶,2022,31(4):1-6.

[5]梅成成,朱永建,王平,等.断层影响下千米深井巷道围岩破坏机制及控制[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2023,38(1):1-8.

[6]周萌,杨张杰,李世辉,等.深井高应力软岩巷道修复加固技术研究[J].山西煤炭,2022,42(3):43-48.

[7]梁日军.深部开采软岩巷道过断层围岩控制技术研究[J].山东煤炭科技,2022,40(2):16-18.

文章来源:宋浩.深部开采软岩巷道过断层围岩控制技术[J].煤,2024,33(01):97-99.