井工煤矿掘进巷道快速过断层技术研究_赵云阳.pdf

202312技术应用与研究103Modern Chemical Research当代化工研究井工煤矿掘进巷道快速过断层技术研究赵云阳（晋能控股装备制造集团赵庄二号井 山西 046605）摘要：针对山西省赵庄二号井2330轨道回风顺槽在掘进作业中突遇DF22正断层，存在较难通过的问题，基于2330工作面工程概况，借助数值模拟分析法，分析了原支护方式下掘进巷道围岩的稳定性，发现若继续用原支护措施来通过DF22断层，掘进巷道围岩支护稳定性较差，存在整体垮落的风险，对此提出了可提前给断层影响区域注浆与采用U型钢来加强围岩支护的措施，通过综合应用这些加固措施后，该工作面实现了以12m/d的速度来快速通过DF22断层，且围岩相对较稳定，没有出现较大变形，取得了较好的应用效果，可为类似工况下掘进工作面安全快速过断层提供参考。关键词：掘进工作面；断层；支护；注浆；效果中图分类号：TD 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.12.034Research on Fast Fault Passing Technology for Tunneling in Underground Coal MineZhao Yunyang(Zhaozhuang No.2 Well of Jinneng Holdings Equipment Manufacturing Group,Shanxi,046605)Abstract：In response to the problem of encountering the DF22 normal fault during the excavation operation of the 2330 track return air pas-sage of Zhaozhuang No.2 well in Shanxi Province,which is difficult to pass through,based on the engineering overview of the 2330 working face and using numerical simulation analysis method,the stability of the surrounding rock of the excavation tunnel under the original support method was ana-lyzed.It was found that if the original support measures were continued to pass through the DF22 fault,the stability of the excavation tunnel surround-ing rock support would be poor,and there was a risk of overall collapse.Measures have been proposed to pre inject grout into the affected area of the fault and use U-shaped steel to strengthen the surrounding rock support.After comprehensive application of these reinforcement measures,the work-ing face has achieved rapid passage through the DF22 fault at a speed of 12 m/d,and the surrounding rock is relatively stable without significant de-formation,achieving good application results.This can provide reference for the safe and rapid passage of the excavation working face through the fault under similar working conditions.Key words：excavation face；fault；support；grouting；effect随着科学技术的持续发展，煤矿开采效率也大幅度提升，可地质条件的复杂性就会对矿井生产的高效性与安全性产生影响。关于巷道掘进期间遇到的地质结构比较复杂的情况比较多，特别是巷道掘进的效率被断层构造所影响的问题，国内的专家学者所做的研究比较多1。本文关于赵庄二号井2330工作面的轨道回风顺槽在掘进期间所面临的DF22断层这一问题，通过对数值模拟措施的使用来研究过断层期间围岩的稳定性，并以此为依据来促进巷道掘进的实现。1.简述工程状况赵庄二号井2330工作面所在的煤层为3煤层。该煤层的厚度、埋深的平均值分别为3.94.6m、+465+515m，且赋存是稳定的。该工作面的水文地质种类为中等。煤层直接顶和基本顶的岩性分别是粉砂岩、中粒砂岩，二者对应的厚度平均值是1.65m、7.1m。该工作面轨道回风顺槽为矩形断面，其宽与高分别是4.8m、3.3m，所使用的支护方式采用锚杆、钢筋拖梁、金属菱形网联合支护，并对巷道顶、帮进行锚索补强的支护方式。在掘进期间会与DF22断层相遇。DF22断层的倾角、断距分别是60、10m，且是正断层。当掘进至与DF22断层有20m距离时存在支护异常的情况，主要为右帮与左帮的上部出现跨落2。2.分析围岩的稳定性按照2330轨道回风顺槽被破坏的状况，现在的支护方式不能满足巷道支护强度方面的要求，在巷道的右帮与左帮都有跨落与变形现象出现，且面积比较大。为了对巷道通过DF22断层时围岩的稳定性进行分析，目前会通过对COMSOL软件的利用来数值模拟研究2330轨道回风顺槽通过断层期间围岩的应力状况。经过利用实验室的测试，得出了表1中的有关参数。表1 围岩基本参数层位岩性密度/(kgm-3)单轴抗压强度/MPa弹性模拟量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/顶板砂岩2301.2123.9911.92.193.3026.89煤体煤1599.6412.481.980.801.1815.47底板砂质泥岩2306.1227.0610.1025.244.1423.03若煤层的煤体、底板与顶板都是均匀的介质，在煤岩体内没有液体、气体渗流的作用，且断层是自由202312技术应用与研究104Modern Chemical Research当代化工研究面，使用的模型是固体力学的。按照埋深来对地应力进行计算，得出的结果是10MPa，因此。若模型顶板能够承受的最大载荷是10MPa，那么就能模拟出以之前支护为前提巷道通过DF22断层过程中，得出了图1中的围岩应变分布图，且图1中的3幅图分别对应的是10d、30d、60d。从图1发现，之前的支护方式实施结束之后的10d，在断层的下盘范围中的个别位置有应变升高的现象出现，应变量最大为400mm，与断层的下盘断层有2m的距离区域就是应变增大的区域，但整体来说变形不大；之前的支护方式在实施结束的30d之后，最大的围岩变形量是650mm，变形区域主要是在断层下盘的切面位置，在该区域中有破碎现象出现，且破碎比较严重，破碎区域在3m左右；之前的支护方式在实施结束的60d之后，最大围岩变形量是650mm，主要的破碎区域在6m左右，所分布的位置为巷道的右帮与断层的下盘，在巷道的左帮与其下部的断层范围中变形量都不多。(a)10d应变分布云图(b)30d应变分布云图(c)60d应变分布云图图1 围岩应变分布云图通过分析得知，断层影响区域中围岩有较大变形的区域为断层下盘，进而导致了巷道右帮有变形发生乃至有严重的破碎现象，巷道的左帮有个别位置发生变形。之前的支护方式不能将支护要求满足，当与断层有20m距离时就会有上述问题出现，而且出现的所有问题几乎与数值模拟的结果是相同的。若使用之前的支护方式，那么就一定会有巷道过断层时支护强度较差而造成的垮塌现象出现3。3.优化支护方式与后续观察按照数值模拟的最终结果，并与现场实际的观测状况相结合，推论以现在的支护方式来过DF22断层，那么支护强度会不足，且较为严重。上述问题出现的主要原因就是断层区域中的围岩有严重的破碎。关于上述问题，能够通过改善断层破碎区域的岩性，来将方式加固，与此同时还将支护加强4。表2 钻孔参数孔号钻孔长度/m方位角/倾角/孔径/mm1#509020902#607613903#637812904#65815905#67922906#5993-6907#5996-1090（1）改善断层破碎区域的岩性。利用超前注浆断层位置来将其破碎区域所具有的岩性改善。超前注浆的材料主要是硅酸盐水泥浆，且水与灰的质量比是1:1.6。利用高压注浆泵将注浆材料注进断层区域，图2就是钻孔布置图，表2就是钻孔参数。注浆压力为5MPa至10MPa，在结束注浆之后，其标准是注浆压力不间断的坚持15min或不增加注浆量。注浆措施所实施的位置为与断层区域有20m距离的位置，确保断层破碎区202312技术应用与研究105Modern Chemical Research当代化工研究域的岩层均被固化。图2 注浆钻孔设计（2）支护方式的加强。为了保证过断层过程中巷道支护强度能够对围岩变形进行抵抗，基于之前的支护方式，在与U型钢联合支护来将支护加强。U型钢的材质是U25型。图3就是支护断面图。顶板所使用的支护为锚索+锚杆联合支护，且锚索与锚杆的规格分别是21.8mm8300mm、22mm2500mm；右帮与左帮所使用的支护为锚索，且锚索的规格是21.8mm4000mm；相邻U型钢支护之间的间距是1m，在支护之后能够对竖向的地应力进行抵抗，安全性较高5。图3 加强支护措施（3）考察效果。经过实施上述措施，巷道掘进在过DF22断层过程中是以12m/d的速度进行掘进的，掘进进度比较快；巷道被支护之后没有垮塌与冒落现象出现在围岩上。将顶板离层仪安装在断层区域中，并每班实施观测，相邻顶板离层仪之间的距离为40m，14d为一个观测周期，就得出了图4的观测结果。按照对图4的分析发现，断层区域的顶板位移量处于稳定的时期是第11d；且在深部的第1d顶板位移量是3mm，在11d之后的变形几乎就稳定了，最后的位移量最大是88mm；在浅部的第1d顶板不会产生位移量6，10d之后顶板变形量是几乎走向稳定的，最后的位移量最大是54mm。自观测结果来看，整个巷道的变形量不大，稳定的周期较短。图4 顶板观测数据统计通过以上分析得知，在将支护方式进行优化之后，就能将2330工作面运输槽快速掘进方面的要求得到满足7。并以此为基础来进行之后的回采作业。4.结论经过分析其掘进巷道通过DF22断层时围岩的稳定性，而对优化措施进行了制定，并对效果进行了考察，得出如下结论：（1）之前的支护方式下通过DF22断层的巷道围岩的位移量最大为650mm，在支护方式实施结束的60d之后，整个围岩破碎，逐渐走向垮塌。（2）经过全面分析得知，在将支护方式优化之后，就能改善断层区域的岩性，利用U型钢来将支护增强，经过支护加强组合与注浆材料，来将巷道通过DF22断层围岩的稳定性这一问题解决。（3）经过实施综合措施，就会加快掘进速度，使掘进速度提高至12m/d左右，快速掘进得以实现。从观测得知，顶板的深部、浅部的位移量最大值分别是88mm、54mm，能够使巷道快速掘进过程中的围岩控制要求得以满足。【参考文献】1张亮.掘进工作面过断层刚柔耦合注浆顶板控制探讨J.煤炭与化工,2022,45(09):15-18.2李凡,薛冰,魏肖,付雪峰,李能东.煤矿井下掘进工作面安全高效过断层方法J.煤矿机械,2022,43(02):80-83.3张腾,赵启生,时君.顺槽掘进提前过断层施工方法