大采高工作面过断层顶板预加固技术研究

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　　摘  要：为了设计72314工作面构造带区域顶板注浆加固方案，回采之前实现构造带顶板的预加固，建立了“预注浆”与“预注浆+钢丝绳”模型，加入钢丝绳岩体内应力变化小、塑性应变相应减小、竖向位移增大，变化区域显示“预注浆+钢丝绳”模型具有更好防护作用;鉴于72312工作面采用普通注浆巷道支护方式，72314工作面巷道采用“预注浆+钢丝绳”模型，对穿过构造带破碎顶板起到良好支撑，构造带顶板稳定。结果表明：“预注浆+钢丝绳”模型对穿过构造带顶板有强力防护作用，有效防止冒顶事故的发生。
　　关键词：预注浆;钢丝绳;构造带;顶板;防护
　　中图分类号：TD262 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）10-0149-04
　　Abstract： In order to design the grouting reinforcement scheme of the structural belt roof of 72314 working face and realize the pre-reinforcement of the structural belt roof before mining， the models of "pre-grouting" and "pre-grouting + steel wire rope" are established. with the addition of steel wire rope rock mass， the stress change is small， the plastic strain decreases correspondingly， and the vertical displacement increases， and the change area shows that the "pre-grouting + steel wire rope" model has a better protective effect. In view of the fact that the common grouting roadway support method is adopted in 72312 working face， and the "pre-grouting + steel wire rope" model is adopted in 72314 working face， the broken roof of the structural belt is well supported， and the roof of the structural belt is stable. The results show that the "pre-grouting + wire rope" model has a strong protective effect on passing through the roof of the structural belt and can effectively prevent the occurrence of roof fall.
　　Keywords： pre-grouting; wire rope; structural belt; roof; protection
　　引言
　　断层是地质构造中广泛存在的一种构造形态，其形成是由于地壳运动产生的强大压力和张力超过了岩体的抗破坏强度，从而导致岩体开裂。在煤矿生产实际综采工作面中，这种情况多体现为综采工作面顶板的严重破碎，无法正常推进，对煤矿的安全生产造成了巨大的影响[1，2]。
　　许疃煤矿83下采区多个工作面均受到张庙台向斜、张庙台背斜、纪庄向斜、纪庄背斜及其衍生的众多断层形成的构造带影响，包括已经回采完毕的72312工作面和正在准备回采的72314工作面以及后期的72316工作面。构造带在全国范围的很多矿井都广泛存在[3-5]，并长期影响着巷道掘进及工作面生产的正常进行。通过数值模拟方法进行机理分析[6]制定“预注浆+钢丝绳”联合加固技术方案，解决综采工作面过断层顶板破碎的问题，有效的控制了巷道变形，为同类型巷道施工提供前期实验及工程应用背景。
　　1 巷道地质条件
　　（1）72314工作面位于83下采区下山北翼第2阶段，北至NFS24断层与工业广场保安煤柱，南至83 下采区运输行人联巷，东邻72316工作面（尚未准备），西邻72312工作面（已回采结束）。该工作面为71与72煤层合并区，属二迭系下统下石盒子组，煤厚3.98～5.99m，平均5.48m（局部其中含1层夹矸，夹矸平均厚0～0.2m）。72煤层与下部82煤层层间距10.41～16.16m，平均13.28m。煤层倾角5～18°，平均14°左右。基本顶为细砂岩，平均厚度4.98m，直接顶为泥岩，平均厚度4.8m;直接底为泥岩，平均厚度1.2m，基本底为细砂岩，平均厚度9.6m。
　　（2）本工作面地质构造复杂，主要构造形迹是断裂构造。工作面煤系地层呈东北～西南走向，向东倾斜的单斜构造，煤层在走向上有几处小的起伏。煤层倾角5～18°，平均14°左右。
　　（3）该工作面主要充水水源系72煤层顶底板砂岩裂隙水。72煤层顶底板砂岩裂隙含水层以静储量为主，遇到斷层等构造裂隙较发育地段会出现顶板滴水、淋水等现象，对掘进施工影响不大。72314腰巷掘进期间过74-75-2，74-75-2孔终孔位于铝质泥岩层位，孔深590.31m，284～590.31m段采用水泥、砂子封孔，水泥3000kg，砂子6000kg。根据72312工作面掘进期间涌水量比拟计算，该掘进工作面正常涌水量3m3/h左右，最大涌水量6m3/h左右。
　　2 数值模拟分析 　　2.1 数值建模过程
　　根据模拟的对象，我们选用 ABAQUS/Standard 模块进行分析。如图1在part模块中我们选用2D Planar（二维平面），类型选择Deformable（可变形），基本特征选择Shell（壳），然后点击Continu而进入绘图界面。我们将要模拟的是深-511.1m～-567.33m宽为86m的煤矿地质构造剖面，中间部分为采煤工作面的开挖路径，按照作业规程，切一刀煤为0.6m的标准对开挖路径进行分割，86m一共切了144刀，再分别将开挖路径上方和下方取约两倍开挖路径的深度做两条倾斜的分割线。分别建立了无钢丝绳模型与注钢丝绳嵌入模型如图1。
　　2.2 计算结果分析
　　2.2.1 Mises应力云图分析
　　工作面开采结束后，不加钢丝绳嵌入模型的岩体内应力分布云图如图2（a）所示。加入钢丝绳后，工作面开采结束后的岩体内应力分布云图有了很大变化，如图2（b）所示。
　　由Mises应力云图文件我们可以直观看到，在工作面推进时工作面和工作面上部的应力明显增加，当工作面推进结束后，右上端的应力达到最大值，最大值为21.72MPa，开挖路径的下方应力普遍较小，最小值为0.2458MPa。当遇到断层与断层交叉较多的位置，应力增加较为明显，少部分应力值达到最大值21.67MPa。同时，在工作面推进遇到断层时，应力增加也较为明显，最大值达到14.25Mpa，即工作面经过断层时，顶板的应力增加较大，施工过程中有潜在风险，需要对其进行适当的方式进行加固，使工作面安全推过断层。在给工作面上部加入钢丝绳后，从云图数据上可以看出，工作面上部的应力有所减小，钢丝绳对工作面顶板起到了良好的加固作用。
　　2.2.2 位移云图分析
　　工作面开采结束后，无钢丝绳嵌入模型的岩体内位移变化云图如图3（a）所示。加入钢丝绳后，工作面开采结束后的岩体内位移变化云图如图3（b）所示。
　　从竖向位移云图可以得知，不管是否加入钢丝绳采煤工作面底板以上的部分都向下发生了不同程度的位移，无钢丝绳时岩体内的位移变化为0.0136m，钢丝绳赋加后顶板岩体的位移变化为0.01543m。
　　2.2.3 塑性变形分析
　　工作面开采结束后，无钢丝绳嵌入模型的岩体内塑性变化云图如图4（a）所示。加入钢丝绳后，工作面开采结束后的岩体内塑性变化云图如图4（b）所示。
　　无钢丝绳嵌入模型的岩体内的最大塑性应变达到13.01%，钢丝绳嵌入模型的岩体内的最大塑性应变达到13%，这个塑性应变过大，从图中也可以观察到，能够达到这一最大值的塑性应变区域面积极小，所以极少部分岩石发生破碎对模拟几乎没有什么影响。图（a）、（b）看出两组模型塑性应变基本一致，无钢丝绳嵌入模型的岩体内大部分塑性应变在4.337%以下，钢丝绳嵌入模型的岩体内大部分塑性应变在4.334%以下，加钢丝绳塑性应变减小，该模拟为二维模型，受到一定的限制，只加了一根钢丝绳数量十分有限，但在实际工程中所加钢丝绳的数量远远多与此，自然而然加固效果将会十分显著，因此在钢丝绳的加固作用下，完全可能保证工作面的稳步推进。
　　3 “预注浆”加固施工
　　72312工作面巷道支护采用锚带网配合锚索梁支护，锚杆选用φ20L=2400mm的高强锚杆，排距为800mm，间距900mm;顶板锚索支护按照“303”方式布置（即每间隔一排锚杆布置一排锚索梁，一梁三索），锚索规格为φ17.8mm L=6200mm的低松弛级钢绞线，锚索梁规格为L=4000mm的14#槽钢。采用横向锚索梁及竖向锚索梁配合，并喷注浆的形式进行加固，喷浆范围为中顶至上帮全范围，锚索梁采用先走向后竖向的顺序加固后喷浆，利用加注锚杆进行注浆。喷浆滞后迎头不大于30m，注浆滞后迎头不大于80m，支护形式如图5所示。
　　4 “预注浆+钢丝绳”加固施工
　　4.1 72314构造带顶板预加固施工
　　因构造带影响，许疃煤礦72312工作面于2016年2月发生大面积冒顶，为避免类似情况发生，张庙台背斜轴部以里及两条倾向断层30m范围内围岩破碎裂隙发育，工作面顶板管理困难，为此对该段进行注浆加固，如图6。
　　开孔位置距煤层顶板0.7m，方位角250°（与机巷夹角60°，仰角孔），设计孔间距1.5-3m，终孔位置与煤层法距不大于2m。在注浆孔内下直径不小于25mm的废旧钢丝绳以提高围岩的完整性。采用大功率注浆泵（2ZBSB3-0.5/10-15）注浆，终止注浆压力不低于10MPa。注浆材料：浆液使用水泥浆，水泥采用不低于PC52.5级硅酸盐水泥，水灰比（0.75～1）：1，注浆时，将普通注浆管连接成整体与废旧钢丝绳同时送入注浆孔，所有注浆管中只将顶端一节的孔壁上设置出浆孔，靠近孔口的两节只是与注浆管规格型号相同的钢管。
　　4.2 张庙台背斜与张庙台背斜之间构造带顶板加固施工
　　先在煤层直接顶泥岩层中形成与工作面切眼斜交且与煤层法距400-600mm的钻孔，而后在钻孔全段安装钢丝绳，并通过钻孔注浆实现钢丝绳的全长锚固，最终在顶板形成“钢筋+破碎围岩”的复合承载结构。
　　采用锚带网配合锚索梁支护，在71煤直接顶泥岩，与71煤法距400-600mm开孔，钻孔方位是与72314工作面机巷夹角60°，方位角为240°，仰角13-15°，将钢丝绳与注浆管逐段绑缚，利用钻机推力将钢丝绳连同逐段连接的注浆管送入注浆孔;利用封孔器将钻孔端部密封;采用低压注浆泵对“注浆孔-1”进行注浆，实现钢丝绳的全长锚固，与“注浆孔-1”保持7.2m以上的间距施工其它注浆孔，如图7。
　　5 结论
　　（1）数值模拟中，注浆加入钢丝绳对顶板起到了良好的支护作用，工作面应力减小。该模型为二维模型，钢丝绳添加数量有限，实际工程中钢丝绳的数量远远多与此，自然而然加固效果将会十分显著，因此在钢丝绳的加固作用下，可以保证工作面的稳步推进。
　　（2）72312工作面与72314工作面采用相同的巷道支护形式，在72314工作面注浆中加入钢丝绳，岩体应力相对普通注浆更为稳定，未出现类似72312工作面冒顶现象，对穿过构造带顶板起了有效作用。
　　参考文献：
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　　[2]李国福，皮云生.超前导管注浆过断层破碎带顶板冒落区的实践[J].江西煤炭科技，2011（04）：30-31.
　　[3]李尚华.综采工作面断层应力区顶板联合控制技术[J].能源与节能，2019（12）：100-101.
　　[4]白永财.综采工作面回采破碎顶板技术研究与分析——以山西某煤矿工作面为例[J].矿业装备，2019（05）：70-71.
　　[5]杜亚林.综采工作面破碎顶板管理技术研究[J].石化技术，
　　2020，27（01）：165+178.
　　[6]戴伟.综采工作面破碎顶板预加固技术研究[D].安徽理工大学，2019.
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