应力集中区过断层巷道超前裸注联合支护技术研究_杨宗坡.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0200引言随着煤矿开采深度的增加，地质条件愈加复杂，巷道在承受高地应力的同时，还要经受强烈的开采扰动，巷道支护技术要求不断提高。在矿井巷道支护的研究中逐渐形成了锚杆支护技术、注浆支护技术、U型钢支护技术等。对于大埋深、围岩条件差、地质构造复杂的巷道，由于煤岩体层理紊乱、煤质极其松软，在叠加应力的作用下，单一支护已无法满足安全生产需要。对于煤柱应力集中区和断层带的影响，前人已经有了大量的研究，并提出了一系列施工工艺和控制技术，为很多复杂工程提供了类比的经验。但是对于煤柱应力集中影响区内过断层带的复杂工况，单纯的采用工程类比搬用已有技术是有很大安全隐患的。基于此，结合矿井实际条件，在深埋高应力地质构造带，采用不喷浆封闭的情况下，利用超前小导管注浆配合多元素支护的方案，对煤柱集中应力影响范围内过断层带的巷道段进行加强支护，并根据现场实测数据对该支护技术进行了评价，为类似的工程提供了技术参考。1工程概况1.1水文地质平煤股份一矿戊10-21113采面位于二水平戊一采区东翼中部，其地面标高为+270+411 m，井下标高-233-256 m，工作面的机、风巷布置在已回采的戊8-21111、戊10-21112、戊8-23021、戊10-23022采区下方，其中，戊8-21111和戊8-23021采面之间留有全煤厚煤柱。由于该工作面内形成煤柱，造成水平应力和竖直应力集中范围呈数倍增加，而且围岩破碎程度高。另外，根据紧邻采面及上分层揭露情况，该采面以正断层为主，机巷中段，落差1.12.7 m，风巷落差0.73.2 m。断层将对掘进造成严重影响，因上部采面已回采，风、机巷在掘进施工时有淋水现象，主要是上部采空区少量积水通过假顶渗出所致。巷道布置如图1所示。1.2巷道破坏特征煤层开采以后，上覆岩层的各小分层将发生变形和成组破坏，从而使支承压力的动态过程变得极其复杂，在顶板分层突然垮落时，又会产生突然卸载，采场上覆岩层的运动情况、特别是侧向顶板岩层应力集中区过断层巷道超前裸注联合支护技术研究杨宗坡（平顶山天安煤业股份有限公司 一矿，河南 平顶山467011）摘要：为有效控制煤柱应力集中区过断层带的巷道围岩变形，提出在不喷浆封闭巷道壁面的情况下，通过超前小导管注浆，并采用36U型钢+锚索协同承载的支护方案，既提高了巷道过断层区域围岩的完整性与强度，又充分发挥锚索支护的主动性及联合承载整体效能。通过巷道稳定性分析、科学监控量测，表明巷道围岩变形能够得到有效控制，为类似的工程提供了技术参考。关键词：应力集中区；断层带；超前裸注；联合支护中图分类号：TD353文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 086 04Research on Advanced Bare-wall Grouting Combined SupportTechnology for Roadway Crossing Fault in Stress Concentration AreaYANG Zongpo（No.1 Coal Mine,Pingdingshan Tianan Coal Co.,Ltd.,Pingdingshan 467011,China）Abstract:In order to effectively control the surrounding rock deformation of roadway passing throughfault zone in stress concentration area of coal pillar,the supporting scheme of advanced small pipegrouting combined with 36U steel+anchor cable cooperative bearing is proposed without grouting toclose roadway wall.It not only improves the integrity and strength of surrounding rock in roadwaycrossing fault area,but also gives full play to the initiative of anchor cable support and the overallperformance of joint bearing.Through roadway stability analysis and scientific monitoring measurement,it shows that roadway surrounding rock deformation can be effectively controlled,which provides technicalreference for similar projects.Key words:stress concentrated area;fault zone;advance bare wall grouting;combined support86的破断是引发回采巷道及护巷煤柱剧烈变形的主要原因。而在应力影响范围内再次开挖巷道时，则会发生冲击性加载应力。根据上分层及邻近巷道采掘后跟踪情况分析，主要存在于以下破坏特征。（1）帮部诱导型破坏帮部诱导型破坏主要表现在靠近采空区一侧的煤体因破坏而卸载，煤柱蠕变到一定程度，几乎不具备承压能力，使得顶板由简支梁状态转化为悬臂梁状态，更易使顶板造成断裂破坏，另一方面，也加剧了对实体侧煤柱的压力，产生更大的塑性流变，如此恶性循环，使巷道整体破坏。（2）顶板诱导型破坏在巷道从掘进到稳定期间，垂直应力在整个层面上都有不同程度的降低，这就造成了顶板的变形主要发生在中浅部围岩，且优以顶板的中部破坏严重。在受到本工作面采动影响时，水平应力有明显的上升。顶板中应力的明显上升，由于压曲作用的存在，致使巷道中垂直应力增大，顶板将在大范围内下沉和变形。2巷道支护方案2.1支护原理超前小导管，是工程掘进施工过程中的一种工艺方法，主要用于自稳时间短的软弱破碎带、浅埋段、洞口偏压段、砂层段、砂卵石段、断层破碎带等地段的预支护。超前小导管是稳定开挖工作面的一种非常有效的辅助施工方法。在软弱及破碎岩层施工中，超前小导管对松散岩层起到加固作用，注浆后增强了松散、软弱围岩的稳定性，有利于完成开挖后与完成初期支护时间内围岩的稳定，不至于围岩失稳破坏直至坍塌。超前小导管注浆适用于巷道拱部软弱围岩，松散、自稳能力差的砂层及砂砾（卵）石层级破碎岩层。通过超前小导管注浆能改变围岩状况及稳定性，浆液注入软弱、松散地层或含水破碎围岩裂隙后，能与之紧密接触并凝固。浆液以充填，劈裂等方式，置换岩石裂隙中的水分及空气后占据其位置，经过一定时间凝结，将原有的松散裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新，强度大，防水性能良好的固结体，使得围岩松散破碎状况得到大幅度改善。2.2支护技术特点采用36U型钢+锚索+超前小导管注浆联合支护形式。即巷道开挖后，不进行喷浆封闭围岩，先采用高强的支护材料（36U型钢棚）控制围岩，再使用锚索在两棚之间控制帮顶位移，最后布置导管，利用高压注浆技术复注，小导管主要起止水阻浆和组合破碎围岩，提高巷道围岩的强度和刚度的作用，其浆液固结后，使开挖轮廓以上的围岩形成承载拱，方便下一步施工。2.2.1超前小导管特点超前小导管采用管径42 mm，热轧钢管制成，图1巷道布置示意图1戊10-23022切眼戊8-23021切眼戊10-21111切眼戊10-21112切眼戊10-21112机巷戊10-21113机巷戊8-21111停采线戊10-21112停采线戊10-21113设计停采线戊10-21113风巷H=1.2 m45 H=1.0 m45H=1.5 m35H=1.0 m45H=1.3 m35戊8-21111机巷H=1.1 m35H=1.1 m35H=2.7 m35H=0.8 m35H=1.2 m35H=1.1 m35H=1.1 m35H=1.8 m40切2H=2.0 m55H=1.2 m40H=0.7 m35H=1.8 m40H=3.2 m55H=2.9 m55H=1.8 m40H=2.0 m40第42卷第02期Vol.42 No.02应力集中区过断层巷道超前裸注联合支护技术研究杨宗坡87最好使用无缝钢管。单管长度一般选3 000 mm（可根据实际需要调整），前段制成约100 mm长的蒜瓣状锥形或鸟嘴形，并对尖部做点焊处理，在尾端车丝长100 mm螺纹。距后端600 mm内不开孔，剩余部分按200300 mm梅花形布设8 mm的溢浆孔。如图2所示。图2超前小导管2.2.2裸注技术特点（1）布孔特点根据巷道实际揭露地质情况，沿开挖轮廓线单排布置。孔距为300500 mm，孔深3 000 mm，满顶布置。如图3所示。图3超前导管布置及巷道支护图（2）钻孔特点钻孔直径比管径大20 mm左右，孔深大于设计长度100 mm。钻孔角度的确定需考虑以下因素：尽可能保证浆液向纵深延伸；如果出现注浆效果不佳，复注时导管内残存浆液，而导致无法复注；超前注浆只为凝结前方施工表面注浆，不向垂直方向延伸。综合考虑以上3点，钻孔外插角沿1525布置。（3）注浆参数浆液材料采用一种超快速凝无机注浆加固料，A/B组分混合后可实现快速凝固。主要应用于采煤、掘进工作面注浆快速加固、过断层等破碎带的超前快速加固、高应力巷道的注浆全锚支护、沿空掘巷小煤柱的注浆堵水等充填加固。水灰比1（22.5），如果岩体过于破碎可适当调整注浆比例；注浆1 h，抗压强度5 MPa,注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍,便于增大扩散半径；注浆终压68 MPa，注浆过程中，若混合浆液从围岩裂隙中流出，此时关闭双液同步注浆泵，等待3 min后，待原漏浆区域因混合料初凝堵塞，打开注浆泵开关，再次注浆。（4）注浆管特点钻孔时以设计的外插角向外钻孔，为保证超前小导管的有效搭接长度，施工过程中严格控制巷道开挖的进尺，以使下一循环的施工顺利进行。造孔时来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔或用高压风从孔底向孔口清理钻渣。安设小导管时，避免出现塌孔。若顶板破碎可在造孔后立即安装超前导管，小导管顶进采用大孔引导和风钻相结合的工艺，即先钻大于小导管直径的引导孔，利用钻机的冲压力和推力低速顶进钢管。2.2.3锚索支护特点过应力集中区期间，在两架棚梁（腿）之间打21.8 mm4 500 mm锚索，锚索间距控制在1 2001 500 mm，排距1 000 mm；巷道持续变形不稳定时，2架棚梁（腿）之间使用长度1500 mm锚索梁并打21.8 mm4 500（5 000）mm锚索，锚索间距控制在1 2001 500 mm，再补打锚杆固定棚腿，固定位置在棚腿与梁搭接以下300 mm左右位置。最上面1根锚索布置在梁窝位置即棚腿与梁搭接以上300700 mm位置，锚索必须紧贴煤（岩）壁，胀紧有效。3支护效果检验与评价戊10-21113机、风巷施工期间，针对煤柱应力区过断层带脆弱围岩中，采取超前小导管注浆+36U型钢+锚索联合支护形式，并在施工区域建立巷道位移观测站进行位移监测。具体参数如表1所示。从实地监测数据分析，风巷在断层附近（6#、7#测点）较机巷断层附近（2#、3#测点）剧烈，巷道变形表1巷道表面位移观测记录机巷风巷1#2#3#4#5#6#7#8#150150130130110110110110原始数据4 7804 7904 7804 7704 7904 7854 7904 785水平位移/mm观测数据4 6704 6204 6304 7104 5904 4254 4504 640位移量11017015060200360340145原始数据3 1003 0803 1003 0803 0703 1003 1003 100顶板位移/mm观测数据3 0502 9302 9703 0402 9002 8902 9103 030位移量501501304017021019070断层附近断层附近备注时间/d测点巷道名称83008钢筋箍10042钢管600自由段巷道中心4 6004 7905 190202 400左旋锚杆2003 1003 300203 000超前导管5001 000第42卷第02期应力集中区过断层巷道超前裸注联合支护技术研究杨宗坡Vol.42 No.0288量及顶部变形明显大于机巷；风巷顶底板位移量在采动影响剧烈阶段和断层段最大达到210 mm，帮部位移量最大达到360 mm。说明技术实施后，有效提高围岩整体性和抗压强度，控制巷道变形，满足采面安装和回采对巷道空间的要求。4结语根据深部采动巷道围岩变形破坏特点及规律，运用围岩强化控制原理，提出一套适合深部采动巷道的围岩强化控制技术方案，即在不喷浆封闭巷道的情况下，通过超前小导管注浆提高巷道过断层区域围岩的完整性与强度，采用36U型钢+锚索协同承载的支护技术，充分发挥锚杆支护的主动性及联合承载整体效能，巷道围岩变形得到有效控制，工业性试验取得成功，为矿井安全高效生产提供可靠保障，也为类似工程提供了技术参考。参考文献：1张海韦，李宝玉，石小刚.深部采动巷道应力演化及控制技术J.煤矿安全，2019，50(1):87-91.2刘建庄，张农，郑西贵，等.U型钢支架偏纵向受力及屈曲破坏分析J.煤炭学报，2011，36(10):1647-16523唐辉雄，许雄鹰.过断层破碎带巷道围岩控制技术研究J.煤炭技术，2020，39(11):38-41.4谷攀，李彦斌，李立功，等.极近距离煤层采空区下过煤柱回采巷道破坏特征及控制对策研究J.太原理工大学学报，2020，51(4):587-593.5史红邈.近断层巷道开挖稳定性分析与支护技术J.煤矿安全，2021，52(1):114-121.6刘志勇，秦荣宏，高厚明，等.煤巷掘进过断层方法J.煤矿安全，2002(4):15-16.7李井生.施工巷道过断层破碎带支护方法J.煤炭技术，2011，30(3):95-96.8赵毅鑫，姜耀东，孟磊，等.超前管棚注浆支护技术在极复杂断层带中的应用J.采矿与安全工程学报，2013，30(2):262-2669孟庆彬，韩立军，齐彪，等.复杂地质条件下巷道过断层关键技术研究及应用J.采矿与安全工程学报，2017，34(2):199-20710王龙飞，常泽超，杨战标，等.深井近距离煤层群采空区下回采巷道联合支护技术J.采矿与安全工程学报，2018，35(4):686-692.作者简介：杨宗坡（1982-），河南洛阳人，高级工程师，研究方向：矿山压力与岩层控制，电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20220323第42卷第02期Vol.42 No.02应力集中区过断层巷道超前裸注联合支护技术研究杨宗坡89