强涌水型顶板巷道快速掘进技术.doc

摘要：本文以钱家营矿业公司2873W工作面回风巷道为研究对象，结合该巷道顶板涌水量大、断层构造发育及受岩浆岩侵蚀影响等复杂水文地质条件，分析了强涌水对巷道快速掘进和围岩稳定性的影响，制定了顶板强涌水条件下巷道掘进面防治水和快速掘进综合技术方案，主要包括：超前施工探放水钻孔、增加排水管路、布置顶板泄水孔、使用新型防水树脂锚固剂、短掘短支和优化锚杆（索）支护参数等措施，巷道每月进尺由192m增加至480m，实现了巷道的安全快速掘进。 中国论文网 关键词：强涌水型顶板；快速掘进；掘进工作面；防治水 巷道快速掘进是一个系统工程，它不仅取决于掘进设备的现代化程度，而且与巷道地质条件和生产条件紧密相连。自20世纪90年代以来，我国的巷道快速掘进技术取得了迅速发展，但对一些复杂困难条件下的巷道围岩，如顶板涌水量大、顶板碎裂发育和受岩浆岩侵入影响等条件下巷道掘进效率相对较低，主要表现在进行巷道防治水时影响掘进施工，巷道的掘进与防治水两者之间相互矛盾，降低了巷道的掘进效率，不能保证采掘有效接替，进而影响矿井的正常生产。 钱家营煤矿2873W工作面回风巷道掘进期间顶板涌水量大，且掘进过程中会遇到岩浆岩侵入区， 严重减缓了巷道的掘进速度，威胁着2873W工作面的按时接续。因此，必须寻求合理的巷道掘进施工技术，使得巷道防治水和掘进支护能相互配合，实现巷道的安全快速掘进。 1 工程概况 1.1 2873W工作面概况 2873W工作面位于-600m水平八采区7号煤层西翼，东侧2873W工作面回采完毕。该煤层为稳定的中厚煤层，煤层平均厚度为3.9m，倾角平均为20，工作面走向长度为14581475m，倾向长度为187m，回风巷长度为236m。老顶为细砂岩，厚度2.99.8m，平均6m，直接顶为粉砂岩，泥质胶结，厚度0.66.6m，平均2.8m。工作面回风巷道断面呈倒梯子形，巷宽4.5m，巷高2.6m，采用锚杆（索）支护方式。 1.2 掘进面顶板强涌水原因分析 2873W工作面回风巷道掘进期间实测顶板正常涌水量为0.66 m3 /min，最大涌水量为1.06 m3 /min。结合该工作面地质生产条件，分析得出巷道顶板涌水量大的原因如下： a） 2873W工作面顶板为砂岩裂隙岩层，富水能力强，上覆5号煤层为不可采煤层，5号煤层顶板含水层含水丰富，当前28号观测孔所测水位为-277m，该工作面最低标高-770m，所承受的5号煤层顶板含水层最大水压为4.83Mpa，工作面顶板水的主要补给水源为5号煤层顶板含水层。 b） 该工作面上邻2872W工作面正在回采，且富含一定的流动水源，流动速度为1.0m3 /min，当2873W工作面回风巷道掘进时，因受2872W工作面的采动影响，上邻工作面的一部分流动水会流入2873W工作面顶板，使得顶板涌水量进一步增大。 c） 2873W工作面回风巷道掘进期间共揭露有8DF3、9DF10、9DF11、9DF13等10条断层，受其影响工作面内有小的伴生构造发育，造成顶板破碎裂隙发育严重，进一步扩充了顶板水的涌水渠道。 此外，根据钻孔和实测资料表明，巷道掘进过程中会遇到岩浆岩侵入区，受到岩浆岩侵入体影响，使该工作面的水文地质条件变得更为复杂。其中，顶板涌水水源补给情况见图1所示。 2 强涌水对巷道快速掘进和围岩安全的影响 强涌水条件下巷道快速掘进的主要影响因素是：首先，煤层顶板涌水量大使得掘进面作业环境恶劣，工人需要穿着雨衣进行工作，施工速度慢；其次，掘进面机械设备长期处于淋水潮湿条件下工作，不能保证正常地持续运转，需要增大机械设备检修频率；再次，由于顶板涌水量大，工人很难注入锚固剂，造成巷道支护工作难度增大；最后，生产班掘进施工时不仅要解决掘进面的涌水，还要安排专人进行后方排水管路的布置，在人员有限的情况下，给掘进工作面管理带来相当大的困难，严重影响了巷道的掘进效率。 煤层顶板涌水量大不仅大大降低掘进施工效率，还使得在巷道掘进过程中存在一定的安全隐患。综合现场调研和查阅相关文献，得出强涌水条件下导致巷道围岩稳定性破坏的主导因素： a） 强涌水对巷道顶板的软化作用。2873W回风巷道顶板均为泥质胶结，遇水后会顶板会发生膨胀软化，增大了顶板的裂隙发育和破碎程度，造成破碎岩块间的摩擦力不能够有效支撑自身重力，加剧了顶板间的离层破坏和顶板冒落的危险性。 b） 强涌水对巷道顶板的破坏起“助推”作用。由于顶板受到强涌水影响，流体的渗透作用和巷道开挖引起的围岩应力变化共同作用形成了巷道围岩的屈服变形，当围岩变形量达到一定值之后，流体渗透将对围岩破坏将起主导作用。 c） 强涌水弱化锚杆（索）支护系统的可靠性。一方面锚杆（索）安装时及支护期间将遇到持续涌出的裂隙水，使得锚杆（索）的粘结面上形成长期的水弱面，降低了锚杆（索）与围岩的整体粘结性；另一方面普通树脂锚固剂受水浸泡后，其凝结性显著降低，造成锚固剂与围岩胶结面受到损伤，使锚杆（索）与稳定岩层间的剪切力和黏结强度下降，进而使得锚杆（索）锚固可靠性快速衰减。 3 强涌水顶板巷道快速掘进综合技术方案 3.1 掘进工作面防治水措施 3.1.1 超前探放水 巷道掘进施工时坚持“先探后掘、边探边掘、先探后放”的原则，掘进前采用打超前探放水钻孔方法，提前疏放巷道顶板积水，达到掘进面顶板涌水减小或疏干的目的。 2873W工作面回风巷道掘进头即为探放水硐室，根据探放水目的，结合煤层底板起伏状况（沿施工方向煤层倾角为1427），在每个钻场布置3个钻孔，两边钻孔距离上下帮均为0.5m，距离上顶为1.0m，钻孔沿巷道斜上方以大于煤层倾角5平面上铺设，在平面上分别以70和90方位角辐射，见图2和图3所示。本次钻孔施工完毕后，掘进队进行巷道掘进施工，其中允许掘进距离30m，超前探放距离25m，到达指定位置后，开始进行下一轮钻探工程。 3.1.2 疏水 在巷道行人侧挖一条水沟，其净断面为长宽=300mm300mm，水沟距离棚子底根200mm以上，并用水泥筑好，防止水外泄；并在2873W回风巷道修好沉淀池和泵窝，泵窝规格为长宽高=200015001500mm，也用水泥及砖砌好，安排专人清挖和维护，确保流水通畅。 3.1.3 排水 为了更好地排放2873W回风巷道掘进面积水，矿方在巷道掘进时加大排水设备和排水管路的安置。主要包括：掘进头现使用1台22kw排沙泵，4台备用排沙泵，其中1台15kw、2台5.5kw和1台4kw，2台风泵使用1台备用1台；现有三趟159mm排水管路，两趟使用一趟备用，且所有的排水管路均接到八采一中水泵房，两台YB2-280m-4型90kw水泵同时使用，下面各接一台QBK-40/80型90kw排沙泵；当工作面掘进至断层和岩浆岩侵入区域，为了避免涌水量继续增大，2873W掘进面还将增设1台22kw和1台37kw排沙泵备用，布置一趟159mm管路到八采一中水泵房，八采一中泵房分别增设两台22kw和55kw排沙；同时安排专门机电维护每天检修2873W风道和运道里口泵及排水设施，保证巷道积水的及时迅速排放。 3.1.4 顶板表面设置泄水孔 对于富含水层顶板，由于受到顶板钻孔内涌水的浸泡，树脂锚固剂搅拌锚固困难，且支护安装结束后钻孔涌水持续外流，极易导致锚杆（索）支护结构体失效，引发顶板局部区域破坏严重。巷道顶板通过设置一定间距的泄水孔，降低或者消除钻孔附近的涌水量，进而减缓钻孔涌水区域锚索支护破坏，增强了顶板整体支护强度。对于强涌水顶板，每隔7 m在顶板中间设置一个泄水孔，泄水孔尺寸为28mm5000mm，如果布置在巷道中间的锚杆（索） 孔涌水严重，不能安装锚杆索，可将此孔作为泄水 孔，并在其旁边补打锚杆或锚索孔。 3.1.5 使用新型防水树脂锚固剂 相比普通树脂锚固剂，新型防水树脂锚固剂能够在有水的条件下瞬时锚固强度受水的干扰较小，起到很好的粘结、锚固作用。在支护过程中能及时承载，对顶板涌水量大条件下支护起到了很好的预紧力作用。防水锚固剂的锚固力能达到设计要求且随其服务时间增加，锚固效果保持类恒定性。 3.1.6 短掘短支 因为巷道顶板长期受到水的侵蚀影响，顶板容易产生松动，若正常长距离掘进，当巷道还未及时支护时，容易造成顶板冒落。巷道掘进采用短距离掘进和支护，能够确保悬漏巷道顶板及时支护，不会造成因空顶距过大而出现冒顶事故。 3.2 巷道围岩支护方式 根据钱家营煤矿2873W工作面回风巷道生产地质条件，巷道支护方案如图4所示。 3.2.1 顶板支护 顶锚杆采用左旋无纵筋锚杆，长度l=2400mm，直径=22.5mm，间拒为720mm，排距800mmm。选用菱形金属网加钢筋梯子梁或U型钢护顶，网搭接不小于100mm，间距不大于100mm/道。 顶锚索长度l=8000mm，直径=17.8mm，间距为1500mm，排拒为3500mm，外露不大于250mm。 3.2.2 两帮支护 帮锚杆采用右旋等强锚杆，长度l=1800mm，直径=22.5mm，上帮锚杆间距799mm，下帮锚杆间距755mm。配塑料网或菱形金属网护帮，网搭接不小于100mm，间距不大于100mm/道。 上帮和下帮各打双排帮锚索，锚索长度l=3000mm，排距为3500mm，上帮间距不小于2000m， 下帮间距不小于1500m，帮锚索外露不大于200mm。 3.3 精细化管理，实现巷道快速掘进 3.3.1 加强职工的技术培训，提高职工的基本技术能力。掘进队现场管理人员必须熟悉掘进过程中的各个环节、工序流程，能够熟练地组织协调各工种、各环节的关系，合理地安排人员，在有限的人员范围内，以最大限度地提高工作效率。 3.3.2 做好机械设备防水防潮管理，及时检查排水系统是否完好，保证设备正常运转，排水畅通。掘进前安排固定检修责任人员分别负责掘进面机械设备和排水管路的检查，做好备用设备的调试工作，实行机械设备事故责任追究制，确保机械设备和排水管路的正常工作。 3.3.3 抓好正规作业循环，各工序间相互配合作业。保证正规作业循环率在85%以上，各工种之间采用平行与顺序作业相结合的劳动形式，尤其做好掘进面超前探放水钻场、巷道支护和掘进面疏排水之间的相互配合，减少巷道掘进和排水工作的相互影响时间。 3.4.4 提前预测掘进面前方水文地质条件变化情况，并及时做好相应的应急处理措施尤其是巷道将进入断层构造或岩浆岩侵入体区域时，巷道顶板涌水量可能会增大，此时可相应地增加水泵和排水管路等设备。 4 实施效果评价 2873W工作面回风巷道掘进面采用以上巷道防治水措施和围岩支护方式及精细化管理措施后，改善了工人的劳动环境，实现了巷道的快速掘进。各生产班进尺由每班的3.2m增加到8.0m，月进尺由192m增加到480m，进尺效益由先前的12.5万元增加至31.2万元，使生产效益提高了近2.5倍。 5 结论 a）2873W工作面回风巷道在顶板涌水量大的条件下施工超前探放水钻孔，增加排水设备，布置顶板泄水孔等防治水措施，有效地减少了掘进面顶板涌出水，降低了涌水对锚杆（索）支护的影响，同时改善了工人的劳动环境。 b）采用新型防水树脂锚固剂，弱化了涌水对普通锚固剂的破坏作用，合理地优化巷道围岩支护参数，短距离掘进和支护，充分发挥锚杆（索）的支护能力，确保巷道围岩的稳定性。 c）工作面实行精细化管理，加强对排水管路和机械设备的检修，做好掘进面防治水和巷道支护的平行作业与相互配合，同时提前预测巷道前方水文地质变化情况并制定相应措施，为巷道快速掘进提供保障。 参考文献： 1韩立军、王延宁、张后全、董亚宁.高压涌水作用破碎围岩巷道综合施工技术J.采矿与安全工程学报，第25卷第4期，2008年12月. 2王海平、马长青.淋涌水型破碎顶板煤巷锚网索控制技术研究J.中国安全科学学报，第21卷第12期，2011年12月，101-106. 3侯朝炯，柏建彪，张农等.困难复杂条件下的煤巷锚杆支护J.岩土工程学报，2001，23