白 楊,李晶昆
(陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司,陜西 咸陽 713600)
斷層是煤礦施工中常見的地質(zhì)構(gòu)造,在沖擊地壓礦井,斷層等地質(zhì)構(gòu)造通常是應力集中區(qū)[1-3]。斷層附近圍巖穩(wěn)定性差,承載能力弱,易發(fā)生沖擊地壓、頂部、水等災害,而采取何種方法通過大型構(gòu)造區(qū)的是現(xiàn)階段沖擊地壓礦井掘進施工的一大難點[4-6]。為此,以孟村礦井中央大巷過大型斷層施工方法為研究對象,采用理論分析、案例類比、現(xiàn)場觀測圍巖變形等,提出以選擇合適巷道層位為基礎,通過預注漿加固、強化卸壓、配合錨注支護和可伸縮支架配合的強化支護措施,形成完整的沖擊地壓礦井過大型構(gòu)造區(qū)的施工方法。
地質(zhì)構(gòu)造:該井田以發(fā)育寬緩的褶曲為主,含煤地層沿走向、傾向的產(chǎn)狀變化不大,斷層局部較發(fā)育,無巖漿活動影響。①褶曲。村井田內(nèi)各褶曲都有鉆孔控制,各褶曲軸向為NE~NEE,兩翼傾角一般3°~5°,最大7°~8°;兩翼起伏幅度80~180 m。井田褶曲與煤系、煤層的沉積分布及其厚度變化關系密切。一般向斜軸部煤系、煤層較厚,背斜軸部煤系、煤層較薄。②斷層。井田內(nèi)先期開采區(qū)內(nèi)賦存有DF29大斷層及次級中小斷層,其延展長度約3 km,落差0~38 m,在一定程度影響井下開拓布置。
水文地質(zhì):礦井水文地質(zhì)類型為“復雜”型。礦井主要含水層7層,主要隔水層4層,其中對礦井生產(chǎn)影響較大的為白堊系洛河組砂巖含水層,以中-粗粒砂巖為主,與4號煤層頂板間距40~180 m。
煤層頂?shù)装?4號煤層直接頂為較易冒落的泥巖、炭質(zhì)泥巖,厚度多在2 m以內(nèi),為半堅硬不穩(wěn)定頂板?;卷敒橹猩皫r、粗砂巖,為半堅硬較穩(wěn)定頂板。煤層底板以灰褐色鋁土質(zhì)泥巖為主,夾雜有薄層狀炭質(zhì)泥巖,厚度一般1.0~8.0 m。團塊狀,含黃鐵礦、菱鐵礦鮞粒及植物根系化石,遇水易膨脹,穩(wěn)定性差。
沖擊地壓:2014年,經(jīng)沖擊傾向性鑒定,4號煤層屬Ⅲ類,具有強沖擊傾向性的煤層,頂板巖層屬Ⅱ類,具有弱沖擊傾向性的頂板巖層,底板巖層屬Ⅰ類,無沖擊傾向性的底板巖層。2019年,4號煤層沖擊危險性評價結(jié)果為具有強沖擊危險性的煤層,礦井為嚴重沖擊地壓礦井。
沖擊地壓:孟村煤礦中央大巷布置在4號煤層中(嚴重沖擊地壓煤層),通過對中央大巷附近的微震活動進行分析,得出中央大巷的穩(wěn)定性主要受地質(zhì)構(gòu)造、采掘擾動影響較大。因此,在沖擊危險評價及治理過程中,地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域及采掘擾動(尤其是中央大巷本身的掘進擾動)影響區(qū)域應被視為治理重點區(qū)域[7-9]。中央大巷沖擊危險的主要影響因素為煤巖沖擊傾向性、地質(zhì)構(gòu)造、地應力大小和方向、底煤厚度。礦井委托資質(zhì)機構(gòu)對中央大巷進行了沖擊地壓安全性論證,考慮受到地質(zhì)條件、開采技術(shù)、經(jīng)濟條件等因素的限制,中央大巷不具備重新布置條件,礦井在嚴格按照《煤礦安全規(guī)程》《防治煤礦沖擊地壓細則》等相關規(guī)定執(zhí)行,同時在確保中央大巷沖擊地壓監(jiān)測、防治解危措施落實到位的基礎上,中央大巷具備安全掘進及進一步使用的條件。
水害:當巷道穿越斷層期間,預計巷道正常涌水量為10~15 m3/h。若巷道內(nèi)部圍巖裂隙將二次發(fā)育并重新分布,不排除斷層導通煤層頂板直接含水層的可能性,以煤層上覆延安組、直羅組砂巖裂隙含水層和洛河組砂巖含水層為主,涌水量可能會急劇增大,預計涌水量達300 m3/h以上。
頂板災害:在井下巷道掘進過程中,在中央大巷及首采工作面均揭露三維地震勘探的DF29斷層,斷距為15~40 m。在斷層揭露期間均出現(xiàn)不同程度的頂板破碎、頂板淋水、漏頂及原油滲漏現(xiàn)象,對巷道正常施工造成較大的影響[10-12]。
底鼓影響:由于煤層底板以鋁土質(zhì)泥巖為主,遇水易膨脹,穩(wěn)定性差。施工期間和完成后,需嚴格落實控水防鼓措施。
案例一為中央二號輔運大巷,直墻半圓拱斷面,掘進斷面積23.2 m2。
巷道層位布置:DF29斷層為正斷層,掘進工作面位于斷層上盤,為減少巷道坡度對掘進及后續(xù)礦井生產(chǎn)的影響,中央二號輔運大巷過斷層期間采取最大坡度不大于6°的方案施工,通過斷層后,先進入對盤的底板(鋁質(zhì)泥巖),之后再進入煤層中。
深孔預注漿加固措施:根據(jù)地質(zhì)超前探測情況,結(jié)合礦井其它巷道揭露斷層情況,預計過斷層期間易出現(xiàn)煤體破碎、層理交錯等現(xiàn)象,綜合考慮災害預防、治理因素,在掘進前首先采取預注漿加固措施,預注漿采用徑向斜孔布孔方式,自巷中向周邊均勻布置,孔口距巷道掘進輪廓線300 mm,鉆孔沿巷道方向布置,孔深70 m,孔口管采用φ108 mm鋼管制作,每根長度6 m;注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。
卸壓防沖措施:根據(jù)“預測預報、逢掘必卸、不卸不掘、強支強卸”沖擊地壓防治原則,在掘進時采用大直徑鉆孔卸壓方案。
支護方案:嚴格執(zhí)行“短掘短支”措施,循環(huán)進尺0.7 m,首先采用錨網(wǎng)索進行臨時支護并初噴,錨桿規(guī)格采用φ22 mm×2 500 mm,間排距700 mm×700 mm,托盤規(guī)格采用150 mm×150 mm×10 mm,網(wǎng)片采用Φ6鋼筋網(wǎng);錨索采用φ21.8 mm×7 100 mm,間排距1 200 mm×1 400 mm,“五五”布置,托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強碟形托盤,臨時支護后初噴50 mm;之后采用29U可伸縮性支架進行加固,棚間距700 mm,相鄰兩棚之間采用三道防倒器進行鏈接,棚腿底部焊接底座,底座采用Q235鋼板,規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm,架設時在巷道底板澆筑300 mm×300 mm見方的混凝土棚腿基礎,增加支護強度,棚頂及幫部采用道木背實,最后噴漿封閉成巷,底板采用混凝土鋪底,鋪底厚度150 mm。
案例二為中央二號回風大巷,直墻半圓拱斷面,掘進斷面積25.3 m2。
巷道層位布置:為減少后續(xù)巷道維護量,綜合考慮巷道后續(xù)用途,中央二號回風大巷過斷層期間采取最大坡度不大于10°的方案施工,預先提高巷道層位,通過斷層后,直接進入對盤煤層中。
淺孔預注漿加固措施:在掘進前首先采取淺預注漿加固措施,預注漿采用徑向斜孔布孔方式,自巷中向周邊均勻布置,孔口距巷道掘進輪廓線300 mm,鉆孔沿巷道方向布置,孔深7 m,孔口管采用φ20 mm鋼管制作,每根長度5 m,注漿循環(huán)進度為5 m;注漿材料采用水泥、水玻璃雙液漿。
卸壓防沖措施:根據(jù)“預測預報、逢掘必卸、不卸不掘、強支強卸”沖擊地壓防治原則,在掘進時采用大直徑鉆孔卸壓方案,必要時采取局部強化卸壓措施。
支護方案:堅持“強頂固幫”原則,采取錨注支護技術(shù),同時優(yōu)化循環(huán)進度,循環(huán)進尺1.4 m,遇頂板破碎、壓力顯現(xiàn)等情況時,嚴格執(zhí)行“短掘短支”措施,循環(huán)進尺調(diào)整為0.7 m。首先采用注漿錨網(wǎng)索進行臨時支護并初噴,錨桿規(guī)格采用φ22 mm×2 500 mm,間排距700 mm×700 mm,托盤規(guī)格采用150 mm×150 mm×10 mm,網(wǎng)片采用φ6 mm鋼筋網(wǎng);錨索采用φ21.8 mm×7 100 mm中空注漿錨索,間排距1 200 mm×1 400 mm,“五五”布置,托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強碟形托盤,注漿材料采用高強抗縮性注漿材料,注漿加固后初噴50 mm;之后采用29U可伸縮性支架進行加固,棚間距700 mm,相鄰兩棚之間采用三道防倒器進行連接,棚腿底部焊接底座,底座采用Q235鋼板,規(guī)格為300 mm×300 mm×10 mm,架設時在巷道底板澆筑300 mm×300 mm見方的混凝土棚腿基礎,增加支護強度,棚頂及幫部采用道木背實,并鋪設雙層鋼筋網(wǎng),最后噴漿封閉成巷;底板采用混凝土鋪底,鋪底厚度50 mm。
2.3.1 支護效果
由于積極采取了探放水措施,兩個施工案例在掘進前采取的預注漿方案將破碎的、松散的、不連續(xù)的受力體膠結(jié)成連續(xù)的、完整的受力體,提高煤巖體圍巖的整體穩(wěn)定性,除起到堵水的作用外,對巷道圍巖也起到了連接加固的作用。在通過斷層面及掘進期間,巷道圍巖穩(wěn)定,未出現(xiàn)頂板破碎、大面積冒落現(xiàn)象;29U可伸縮性支架的使用,不僅起到加強支護強度的作用,在后續(xù)巷道使用期間對控制巷道形變也有積極效果;同時也是“強支強護”的實際應用,對巷道的抗沖擊起到了至關重要的作用。案例二采用的中空注漿錨索支護方案,采用高強抗縮性注漿材料、高注漿壓力對圍巖進行錨注加固,實現(xiàn)錨索(錨桿)全長錨固,進一步提高了巷道的穩(wěn)定性。
2.3.2 施工進度
注漿進度:案例一采用深孔注漿,注漿循環(huán)50 m,單輪注漿時間約一周(含施工鉆孔、止?jié){墻、注漿、封孔等工序);案例二采用潛孔注漿,注漿循環(huán)5 m,單輪注漿時間為一天(含施工鉆孔、注漿、封孔等工序)。
掘進進度:案例一由煤層進入對盤底板鋁質(zhì)泥巖中;案例二由斷層下盤穿入砂巖頂板再進入對盤煤層中;泥巖和砂巖在掘進期間,對掘進截割進度影響不大。
支護進度:案例一循環(huán)進度為0.7 m,采用普通錨索,錨索排距為1.4 m;案例二循環(huán)進度為1.4 m,采用中空注漿錨索,錨索排距0.7 m。在支護進度上,案例二錨索施工數(shù)量更多,且增加了注漿步驟,雖然在循環(huán)進尺上比案例一更大,優(yōu)化集中各工序施工時間,但由于支護工序比案例一多,且循環(huán)進尺受制于圍巖揭露情況,故支護進度上較案例一更慢。
2.3.3 災害治理情況
由于兩個案例均采取了預注漿加固和大孔徑卸壓措施,同時堅持短循環(huán),支護緊跟迎頭,過斷層期間未發(fā)生涌水、突水、沖擊地壓顯現(xiàn)和頂板事故。
2.3.4 巷道后續(xù)使用情況
頂板及兩幫移近量:通過對兩個案例中巷道的形變量、頂板離層量及沖擊地壓顯現(xiàn)次數(shù)進行觀察監(jiān)測,如圖1所示,案例二在巷道形變量、頂板離層量及抗沖擊能力方面均優(yōu)于案例一。
圖1 頂板及兩幫移近量監(jiān)測結(jié)果
巷道層位選擇及支護形式:由于案例二布置于煤層砂巖頂板,采取錨注配合可伸縮支架的支護措施,而案例一布置在鋁質(zhì)泥巖底板上,采取錨網(wǎng)索配合可伸縮支架的方案,導致在同等沖擊能量事件發(fā)生后,案例一中的巷道在抗沖擊能力方面較弱,且巷道形變量較大,特別是巷道支護薄弱的底板,在斷層影響區(qū)域底鼓量極大。
后期維護:兩個案例中的巷道在使用中,由于沖擊和巷道形變等影響,案例一巷道已難以滿足生產(chǎn)需要,雖經(jīng)過多次加固維修,但由于巷道層位布置的影響,在后續(xù)使用中仍需長期維護。案例二中的巷道雖然出現(xiàn)局部漿皮開裂、個別U型棚形變等現(xiàn)象,但是在二次加強支護后,巷道能夠滿足安全生產(chǎn)需要。
(1)在嚴重沖擊地壓礦井過大型構(gòu)造區(qū)施工方法選擇上,通過理論分析、案例類比、現(xiàn)場觀測,采取淺孔多循環(huán)預注漿加固、強化卸壓、配合錨注配合可伸縮支架的強化支護,可保障過構(gòu)造區(qū)在掘進及后續(xù)使用期間的安全可靠。
(2)從巷道后期使用和維護難度考慮,選擇合適巷道層位,對于布置在大型構(gòu)造區(qū)、易發(fā)生沖擊破壞的巷道顯得尤為重要。
(3)在選擇巷道層位時,除考慮預計層位的沖擊傾向性,對比巖層穩(wěn)定性和物理特性也是影響施工的關鍵因素,以孟村礦井為例,過構(gòu)造區(qū)選擇頂板穩(wěn)定砂巖明顯優(yōu)于底板鋁質(zhì)泥巖。