断层破碎顶板冒顶巷道修复技术研究

1、收稿日期:20101017基金项目:国家自然科学基金项目(50774077;煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题资助(SKLCRSM08X04;全国博士学位论文作者专项资金资助项目(200760;教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET 060475作者简介:刘洪林(1984,男,四川宜宾人,硕士研究生,研究方向为矿山压力与岩层控制。断层破碎顶板冒顶巷道修复技术研究刘洪林1,柏建彪1,2,马述起1,许磊1(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221008;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州221008摘要:由于断层带附近围岩破碎程度高、范围大,掘进工作面与断层相遇时极易发生

2、冒顶事故。为了防止冒顶范围的扩大,实现冒顶巷道的安全、快速修复,文章结合张双楼矿7425材料巷的实际情况分析了断层破碎顶板冒顶巷道的冒顶特征和原因;针对“漏冒型”巷道内松散煤岩体自稳能力差、随掘随漏的特点,提出了“撞楔法”进行临时支护和构造“假顶”、化学注浆加固假顶、“锚网索+架棚”联合支护相结合的断层破碎顶板冒顶巷道修复技术。结果表明,该技术在保证施工安全的同时提高了围岩整体性和承载性能,巷道修复效果理想。关键词:断层交错带;冒顶;注浆;修复;撞楔法中图分类号:TD353文献标识码:B 文章编号:16710959(201104-0076-04Research on Repair Techno

3、logy of Mine Roadway withBroken Roof and Roof Falling in FaultLIU Hong lin 1,BAI Jian biao 1,2,MA Shu qi 1,XU Lei 1(1.School of Mining Engineering ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou 221008,China ;2.State Key Lab of Coal Resources and Safety Mining ,Xuzhou 221008,China Abstract :Due t

4、o high broken and high scope surrounding near the fault ,a roof falling accident would be easily occurredwhen the driving face met a faultIn order to prevent the roof falling scope to be enlarged and to have a safety and rapid repair of the roof failed gateway ,in combination with the actual conditi

5、ons of No.74256material gateway in Zhangshuanglou Mine ,the paper had an analysis on the roof falling features and causes of the gateway with broken roof and roof falling in faultAccording to the poor self stability of the soft coal and rock mass and the roof falling with the driving features of the

6、 roof falling gateway ,the paper provided the repair technology of the gateway with the broken roof and roof falling in combination with the “wedge method ”as the temporary support as well as the “artificial roof ”,chemical grouting reinforced artificial roof ,“bolt /steel mesh /anchor +square suppo

7、rt ”The results showed that the support technology could ensure the construction safety and could improve the surrounding rock integration and the loading performancesThe repair effect of the gateway was rationalKeywords :cross bedding zone of fault ;roof falling ;grouting ;repair ;wedge method 断层是煤

8、矿开采中常见的一类地质构造形态,在其形成过程中通常伴随着巨大的能量释放,因此断层带附近围岩一般比较破碎13。断层的出现给矿井安全生产和掘进工作造成了极大的影响,当掘进工作面与断层相遇时,由于顶板破碎程度高、破碎范围大,巷道极易发生冒顶事故。鉴于目前探测技术和手段的局限性,还很难对回采巷道前方地质构造进行准确预测从而采取预防措施,所以当回采巷道与断层带相遇时冒顶事故很难避免。因此,开展断层破碎顶板冒顶巷道修复技术研究对于断层带附近发生冒顶的巷道实现安全、快速修复和掘进具有重要的指导意义。1工程概况张双楼煤矿7425工作面位于1000m 水平西一采区,煤层厚度1.5 8.8m 、平均5.2m ;煤

9、层倾角24 38、平均29;煤层顶底板均为泥岩,岩层综合柱状图如图1所示。7425材料巷埋深1037m ,设计全长为697m ,巷道采用炮掘,断面为矩形,毛断面尺寸3800mm 2800mm ,净断面尺寸3600mm 2700mm 。原设计支护形式为锚梁网加锚索联合支护,顶、帮锚杆分别采用222400mm 、202000mm 等强螺纹钢锚杆,顶板采用18.96250mm 的小孔径预应力锚索,巷道支护断面图如图2所示 。2巷道冒落特征7425材料巷自D1导线点开始掘进的118m 巷道一共揭露了三条断层,分别为逆断层F 120,H5m ;正断层F 265,H5.3m ;正断层F 352,H2.5m

10、 。其中F 2与F 3为两条交错断层,当7425材料巷掘至F 2、F 3断层交错带时发生冒顶。巷道冒顶高度约8 10m ,沿巷道走向冒顶段长度约4m ,冒落形状近似“漏斗状”,冒落煤矸约30m 3,呈散体分布、随掘随漏。经过对冒顶区域的观察和断层要素的实测发现F 2、F 3断层呈“V ”形相交,巷道冒顶类型为“漏冒型”,实测工程地质剖面图如图3所示。通过对7425材料巷冒顶特征及工程地质条件的分析,得出该巷发生冒顶的主要原因是:1断层构造带影响。掘进工作面迎头与F 2、F 3断层“V ”形交错带相遇,该段巷道顶板围岩十分破碎。同时,掘进过程中放炮对不稳定围岩产生一定的扰动,容易诱发破碎顶板大面

11、积垮落从而造成巷道冒顶。2巷道埋深大。巷道埋深约为1037m ,属于深井巷道,原岩应力高,巷道维护困难。3煤层倾角大。煤层倾角为24 38、平均29,该类煤层巷道围岩自稳能力差、不能均匀承载,巷道支护难度大,容易发生冒顶46。4岩体强度低、地层结构差。7煤顶底板以泥岩、砂泥岩为主,岩石强度较低,且煤、岩层厚度变化较大,对巷道维护也极为不利 。图3断层冒落带剖面图3冒顶巷道修复技术通过对7425材料巷冒顶特征的分析,针对该巷所属地层倾角大、结构差、岩体强度低的特点及巷道冒顶段位于断层交错带顶板异常破碎、冒顶高度大的特殊情况,为安全快速通过断层交错带,该冒顶巷道修复的技术思路是:首先采用“撞楔法”

12、对冒顶巷迎头进行临时支护、构造人工假顶;再对松散煤岩体注浆,加固人工假顶、充填冒空区;最后在锚网索支护基础上进行套棚加强支护。3.1临时支护及构造假顶技术由于7425材料巷与断层交错带相遇,巷道顶板十分破碎且冒漏的煤岩体呈散体分布、自稳能力差(随掘随漏。为保障巷道修复期间的施工安全、防止修复掘进过程中顶板的继续冒落,必须对冒顶区进行有效的临时支护和构造人工假顶。针对7425材料巷的漏冒特点及断层交错带的地质构造特征,决定采用“撞楔法”对冒顶段迎头进行临时支护并以此构造人工假顶。具体做法是:先在巷道迎头架设两架工字钢“对棚”作为拖梁,采用844000mm的无缝钢管作为撞楔,将其放在拖梁上以间距为

13、250mm、仰角为25撞入迎头破碎煤岩体中。3.2破碎围岩注浆技术巷道修复过程中破碎顶板会继续漏顶,冒空区也可能继续跨落,单纯使用“撞楔法”很难保持所构造人工假顶的稳定性。为了提高人工假顶的稳定性,保证施工安全和巷道修复效果,还需要对人工假顶破碎煤岩进行注浆加固、冒空区进行注浆充填。煤岩体注浆加固就是利用浆液来充填和固结围岩(或煤层的裂隙面,过去的研究表明79:破碎煤岩注浆加固以后其弹性模量、内聚力、抗拉强度、抗剪强度和残余强度等力学参数都有明显的提高。破碎煤岩注浆加固在改善岩体力学性能的同时也提高了围岩整体性、增加了其自身承载能力,有利于围岩稳定。鉴于7425材料巷冒顶段巷道顶板破碎程度高、

14、围岩自稳能力差的特点,及化学浆液具有可注性好、渗透能力强、固结性能好、固化速度快、时间可调的优点,所以决定采用化学浆液对该巷道冒顶段人工假顶进行注浆加固和冒空区充填。1注浆材料选择。破碎顶板注浆加固和冒空区注浆充填的目的不同,所以注浆材料选择标准也不同。根据注浆加固和注浆充填的不同侧重点,注浆加固材料选择力学性能较好的“固安特”浆液,注浆充填材料选择膨胀系数较大的“漏必堵”浆液。2注浆孔布置。根据注浆范围的不同,分别以仰角45、间距1500mm沿巷道顶板布置三个孔径为42mm、深度为5000mm的加固材料注浆孔,以仰角60、间距2000mm沿巷道顶板布置两个孔径为42mm、深度为8000mm的

15、充填材料注浆孔。由于围岩破碎程度高,注浆孔成孔效果差,注浆过程中采用自攻钻杆做为注浆管。注浆孔布置如图4、图5所示。3注浆顺序。注浆过程中先对破碎顶板进行注浆加固,然后再对冒空区进行注浆充填。注浆过程中,各注浆孔交替注浆。4注浆压力及注浆量。根据现场工程地质特征及注浆材料性质,注浆压力应控制在2 3MPa范围内。注浆过程中,发现注浆泵压力表度数明显上升时停止注浆。3.3掘进及支护工艺为了减小放炮对断层交错带破碎煤岩体的扰动,冒顶段巷道掘进过程中使用风镐和侧卸式装煤机进行施工。当掘进尺度达到700mm时,先采用锚网梁、锚索支护;再进行套棚支护,棚腿用两根锚杆固定生根,两架棚之间安装防倒器,空顶、

16、空帮、空肩窝处用磷镁土方木背实。巷道修复过程按照“破碎围岩注浆加固高深冒空区注浆充填掘进并支护”循环施工,直到完全通过断层交错带 。4修复效果通过应用断层破碎顶板冒落巷道修复方案在现场进行施工,7425材料巷修复效果十分显著。冒顶段巷道修复过程中没有发生顶板冒漏现象,1d后使用钻孔窥视仪检验,“固安特”浆液均匀扩散,加固材料将破碎煤岩体重新胶结为具有较高承载性能的整体;“漏必堵”浆液基本充满了冒空区,注浆效果良好。经过6个施工循环以后,材料巷顺利通过了F2、F3断层交错带。同时,冒顶段巷道经过修复以后围岩变形得到了有效控制,现场监测结果如图6所示 。图6巷道围岩变形曲线(下转第81页可以看出,

17、在7尺度下,残差信号的自相关序列、功率谱序列、均值和方差与白噪声更相近。因此,确定在7尺度下所提取的趋势项为倾角信号,提取的趋势项如图5所示。 图5罐道倾斜状态下的倾角信号应用式(4对罐道倾斜状态下倾角传感器输出的倾角信号进行计算,可得到罐道在OYZ 平面内的投影,即罐道沿井深在Y 方向的偏斜量,如图6所示。由计算结果可知,在Y 方向上,提升系统试验模型上的罐道在井深为0.5m 处发生倾斜,倾斜的角度为2.86,由于罐道是单方向倾斜,其最大偏移量为35mm ,分析所得结果与当初试验设置的罐道倾斜缺陷情况一致。 图6罐道沿井深的偏斜3结论本文本着“防患于未然”的目的,对刚性罐道偏斜的早期偏斜状态

18、进行了检测和诊断。通过对矿井罐道偏斜状态进行分析,得出了应用倾角传感器可以检测罐道偏斜状态的结论。同时,根据刚性罐道倾斜的缓变性以及倾角传感器输出信号的特点,提出了应用小波多分辨分析对倾角信号进行趋势项的提取,进而得到罐道偏斜的倾角信号,然后利用罐道倾角与罐道偏斜量之间的关系可以得到罐道的水平偏斜量,该信号反映了罐道偏斜的故障特征,据此可以得到罐道偏斜故障的位置以及严重程度。参考文献:1王荃,赵理强钢轨罐道变形危害分析及处理J 河北煤炭,2000,(3:5 62乔红兵,陈大峰立井刚性罐道井筒装备的安装J 煤炭工程,2003,(6:38 393隋惠权,苏仲杰,刘文生立井罐道测斜仪的研制J 阜新矿

19、业学院学报(自然科学版,1994,13(4:38 414齐子元,米东,徐章隧小波多分辨分析的频带阈值去噪方法J 噪声与振动控制,2008,(2:130 1325陈士海,魏海霞,杜荣强爆破震动信号的多分辨小波分析J 岩土力学,2009,30(4:135 1396Mallat ,SA theory for multi resolution signal decomposition J IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence ,1989,11(7:674 693(责任编辑赵巧芝櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗(上接第78页断层破碎顶板冒顶巷道修复以后30d 左右巷道变形趋于稳定,顶板最终下沉量约为43mm ;两帮移近量约为56mm 、底鼓量约为21mm ,围岩控制效果十分理想。5结论1分析了张双楼矿断层破碎顶板巷道的冒顶特征,指出了该类巷道发生冒顶的主要原因是断层发育、顶板破碎和煤层倾角大。2针对断层交错带冒顶巷道顶板破碎程度高,围岩稳定性差,巷道随掘随漏的特点,提出了“撞楔法”构造人工假顶并对冒顶区域进行临时支护的围岩控