回采巷道掘进过断层技术研究_高飞.pdf

282023 年第 5 期收稿日期 2022-10-30作者简介 高飞（1983），男，山西大同人，2018 年毕业于黑龙江科技大学电气工程及其自动化专业，本科，采煤工程师，长期从事采矿工作。回采巷道掘进过断层技术研究高 飞（和尚嘴煤业有限公司，山西 大同 037002）摘 要 采用数值模拟研究和尚嘴煤矿 14-2号东轨道巷过 F3 断层过程中围岩应变情况，用注浆的方法改善断层区域岩性，并进行治理区域效果考察。结果表明：14-2号东轨道巷过 F3 断层沿用原支护方案巷道最大位移量为 1000 mm，主要集中在巷道顶板和帮部；采用注浆措施改善断层区域岩性后，巷道掘进过程中深部最大位移量 100 mm，掘进安全可靠。关键词 掘进；断层；模拟；支护中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.009Research on Technology of Mining Roadway Driving Passing Through the FaultGao Fei(Heshangzui Coal Industry Co.,Ltd.,Shanxi Datong 037002)Abstract:Using numerical simulation to study the strain situation of surrounding rock during the process of the No.14-2 east rail roadway passing through the F3 fault in Heshangzui Coal Mine,using grouting method to improve the domain lithology of the fault area,and conducting an investigate on the effectiveness of the treatment area.The results show that the maximum displacement of the roadway in the original support scheme for the No.14-2 east rail roadway passing through the F3 fault is 1000 mm,mainly concentrated in the roof and sides of the roadway;After using grouting measures to improve the domain lithology of the fault area,the maximum displacement in the deep part of the roadway driving process is 100 mm,ensuring safe and reliable driving.Key words:driving;fault;simulation;support高 飞：回采巷道掘进过断层技术研究 高 飞：回采巷道掘进过断层技术研究 我国专家学者关于井下巷道掘进通过构造带问题进行了大量研究，结果表明，断层会破坏巷道围岩力学性质，导致巷道掘进支护后变形严重1-6。针对和尚嘴煤矿 14-2号东轨道巷掘进过程中通过 F3断层，采用数值模拟方法进行围岩稳定性分析，结合现场工程实际制定措施，并进行效果考察。1 工程概况和尚嘴煤矿为低瓦斯矿井，14-2号东轨道巷位于 14-2号煤层中，煤层平均厚度 1.68 m，煤层倾角2.5。煤层顶板为细粒砂岩，平均厚度 20 m，致密坚硬；煤层底板为粉砂岩，平均厚度 8 m。14-2号东轨道巷掘进过程中遇到 F3 断层，F3 断层为逆断层，断距 5 m，倾角 46，整体比较破碎，邻近巷道通过该断层过程中仅通过 U 型钢加强支护出现了围岩变形严重的现象，无法有效满足支护要求。14-2号东轨道巷为矩形断面，断面宽度 6 m，高度 3 m，设计支护措施为锚杆+锚索组合支护，如图 1。图 1 断面设计图（mm）2 围岩稳定性分析为研究 14-2号东轨道巷过 F3 断层过程中的围岩稳定性，采用软件 comsol multiphysics 对区域围292023 年第 5 期高 飞：回采巷道掘进过断层技术研究 高 飞：回采巷道掘进过断层技术研究 岩应变进行数值模拟研究。假设煤层、岩层为均匀介质，区域内水害、瓦斯灾害小，不考虑液相、气相渗流作用，通过岩心取样技术对区域内煤层及顶、底板进行取样，样本力学参数测试结果见表 1。表 1 模拟参数表岩性厚度/m密度/（kg/m3）单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/（）细粒砂岩203 934.3755.8520.8452.108.546.2514-2号煤层1.683 301.7825.754.091.652.4342.26粉砂岩83 884.0554.7724.1448.856.584.31模型顶板所承受边界载荷为均匀线性载荷，主要为竖向应力，区域平均埋深 698 m，平均地应力为 25 MPa。根据以上数据进行数值模拟，得出 14-2号东轨道巷过 F3 断层区域围岩应变量分布云图如图 2。图 2 14-2号东轨道巷过 F3 断层围岩应变量分布云图根据图 2 可知，在地应力作用下，F3 断层和 14-2号东轨道巷之间岩体最大应变量达到 1000 mm，巷道断面底板呈现小范围应变量小于 500 mm的区域。当应变量达到 1000 mm 时，岩体整体呈现破碎状态。综合分析，14-2号东轨道巷上部靠近断层一侧的岩体整体为破碎区域。产生以上情况因素主要为：断层产生力学自由面，巷道掘进过程中同样会产生力学自由面，在地应力的作用下，断层和巷道断面之间的岩体形成双面自由独立岩体，自由岩体倾角和断层倾角一致，地应力主要为竖向应力，自由岩体在竖向载荷作用下会产生断裂；F3 断层为逆断层，断层周边进行采掘作业产生自由面后，加剧断层上、下盘之间的位移，从而加剧 F3 断层和14-2号东轨道巷之间自由岩体的破碎。3 过断层技术措施及效果考察根据数值模拟研究结果可知，F3 断层和 14-2号东轨道巷岩体为破碎状态，巷道掘进过程中采用原支护措施会出现锚杆、锚索无固定锚固点情形，最终导致巷道整体垮落。针对此类地质情况，仅通过U 型钢加强支护无法满足支护要求，需要对断层区域岩性进行改善，一般选用的岩性改善方式为注浆。水泥浆液可以将断层构造产生的破碎岩体凝结，填充破碎岩体之间的孔隙，将断层体形成一个较为稳定的独立岩体。为保证断层区域注浆效果，浆液一般选用水泥浆，水泥选用硅酸盐水泥，加入适量速凝剂，注浆压力不小于13 kPa。注浆钻孔设计如图3，钻孔参数见表 2。施工钻孔孔径 50 mm，注浆泵采用 HS-6 型双液灰浆泵。第一步：施工钻孔，钻孔按照设计施工。第二步：封孔。封孔长度为 10 m，封孔段插入50 mm PVC管。采用“两堵一注”的方式进行封孔，即封孔段两端分别放聚氨酯，孔口放注浆管，返浆管插入封孔段底部，从注浆管中注入浆液，当返浆管开始返浆停止注浆，封孔完毕。第三步：钻孔注浆。注浆泵连接封孔段 PVC 管，将浆液注入到 F3 断层区域，当压力稳定到 13 kPa 点 30 min 后停止注浆。5个钻孔注浆完毕后这个工序完毕。注浆工艺如图4。图 3 注浆钻孔设计图 图 4 注浆工艺图表 2 钻孔参数表钻孔编号钻孔长度/m倾角/（）方位角/（）孔径/mm1#4919346502#5512351503#589361504#68111505#67-21650注浆作业完成后，进行巷道正常掘进。过断层区域在原锚杆+锚索组合支护的基础上进行 U 型钢加固措施，U 型钢排间距为 1.5 m。支护完成后对302023 年第 5 期支护区域进行效果考察，安装顶板离层仪，离层仪间距 30 m。断层影响区域约为 120 m，对影响区域安设的 4 个顶板离层仪进行观测，观测周期为 60 d，观测数据结果如图 5。（a）1#顶板离层仪 （b）2#顶板离层仪（c）3#顶板离层仪 （d）4#顶板离层仪图 5 顶板离层仪数据统计图根据图 5 可知，断层注浆区域进行加强支护后，区域内 4 个顶板离层仪深部最大位移量 100 mm，浅部最大位移量57 mm，稳定期均在2930 d期间，一个月后围岩整体稳定。观测区域内深部变形量最大的位置为 2#顶板离层仪，该离层仪装置点为断层中间，推测该区域锚杆锚固点位于注浆区域，锚固点主要以水泥浆液为主；1#、3#、4#顶板离层仪观测点内锚杆锚固点位于水泥浆液和破碎岩体形成的混合体，由于有破碎岩体作为粗骨料，因此形成的混合体坚固性较强，锚固点稳定性强，整体沉降较小。现场进行宏观观测，巷道整体稳定，未出现大的变形。4 结论和尚嘴煤矿 14-2号东轨道巷过 F3 断层过程中围岩存在失稳风险，为解决该问题，采用数值模拟研究进行围岩稳定性分析，采用注浆方式改善断层影响区域岩体性质。掘进后的支护效果考察表明：无任何措施情况下，14-2号东轨道巷过 F3 断层会出现巷道上部、左右帮部最大位移量 1000 mm，岩体整体破碎；采取断层区域注浆、加强支护措施后，深部顶板最大位移量 100 mm，断层区域整体稳定，有效解决了过 F3 断层围岩失稳的问题。【参考文献】1 林利军.煤巷掘进过断层破碎带超前支护研究 J.煤，2022，31（10）：82-84.2 徐庆华.巷道掘进过断层支护技术研究 J.矿业装备，2022（05）：27-29.3 卫伟.注浆锚杆在掘进巷道过断层中的应用 J.机械管理开发，2022，37（07）：233-234.4 郭忍.顶板淋水巷道过断层时围岩控制技术研究J.山西冶金，2022，45（04）：153-154.5 秦路通.三元煤业 4306 运输顺槽过断层破碎区优化支护技术研究J.山东煤炭科技，2022，40（06）：32-34+40.6 冯昆.联合支护技术在掘进巷道过断层破碎带中的应用 J.山西能源学院学报，2022，35（03）：4-5+9.