管棚支护技术在煤矿井下巷道掘进中的应用

管棚支护技术在煤矿井下巷道掘进中的应用编辑：煤炭网2006-3-3016:29:38摘要：通过开滦(集团)东欢坨矿-230回风巷F2/断层管棚支护工程实例，主要介绍该断层工程地质、水文地质条件，管棚支护技术方案，施工工艺及所取得的效果。这一技术经验，对同类煤矿巷道安全掘进具有借鉴意义。关键词：断层；管棚支护技术；施工工艺；1、引言开滦矿区地处我国经济较发达的京津唐地区，煤炭资源丰富，煤炭开采历史悠久。但开滦矿区的矿井开采地质条件较为复杂，如地质构造条件复杂，断层落差大，直接影响矿区建设与采区的设计。东欢坨矿业分公司是一正在建设发展中的矿井，经过多年来的生产实践，已经摸索出一套适合该矿特色的边建设边生产的路子，地面配套设施建设已具相当规模，开采布局因受F2/断层影响，该矿开采系统尚未完全形成，造成采掘衔接紧张，原煤产量还远未达到矿井设计生产能力。在2002年，该矿分四次对F2/断层进行了钻探控制及注浆加固施工，由于断层带破碎夹泥，钻探过程中塌孔、喷孔（喷出物多为断层泥、岩石碎块及煤粉等）现象经常发生，因而注浆加固效果不理想，-230回风巷掘至断层附近时出现涌泥、塌方等，致使掘进无法进行。我院首次提出利用管棚支护技术对该断层进行治理，东欢坨矿业分公司对这一技术给予厚望，并在两家单位领导的支持下，开展对-230回风大巷顶板绕道进行管棚支护施工，最终安全掘进通过了F2/断层，取得了良好效果。2工程地质与水文地质条件－230北回风巷是东欢坨矿北翼各采区的总回风大巷，目前正在向北二掘进，巷道迎头正处在北一采区。2.1工程地质条件北一采区位于向斜东南翼缓倾斜区，地层总体走向NE，地层倾角20o～26o。－230北回风巷为一煤巷（煤12－1），为了保证施工安全顺利地进行，原煤层回风巷改成岩石回风巷道，巷道绕行从7＃煤与8＃煤之间的细砂岩中通过F2/断层带。该处断层带变宽，总宽度为36.3m。F2/断层带由三维地震及钻探控制，由三条正断层组成，其间物质为浅灰色粉砂岩，破碎岩块及软泥组成，落差17m，倾角约75o～80o，断层倾向NE和WS，形成一地堑构造，延展长度690m。该断层穿过的层位有煤5、煤8、煤14－1，其中部落差最大，西部端点尖灭，向东至测区边界落差仍较大而未尖灭，在断层两端切割到奥灰顶界面，而－500北二大巷及－230北回风大巷处F2/断层均断至奥灰。2.2水文地质条件－230回风巷道在冲积层防水煤柱外施工，距防水煤柱9m。巷道距冲积层垂距87.76m，巷道所处的煤12－1其顶板和底板均有裂隙水，巷道总水量0.41m3／min。该巷道迎头下方22m处未煤12－2～煤14砂岩裂隙承压水层，目前水位－11.66m，水压2.1Mpa，巷道下方70m处未煤14～K3砂岩裂隙承压含水层，水位－39.78m，水压为1.8MPa，巷道下方185m处为奥灰含水层，水位－14.63m，水压2.2MPa。根据-230顶板绕道勘探孔钻探成果，断层带含水但隔水。综合分析水源非O2水，而属煤7底板砂岩裂隙水，水量0.25～0.96m3／min，且呈衰减趋势。3、施工技术方案首次将管棚支护技术应用于煤矿井下巷道掘进中，与在铁路、公路隧道中施工有很大的不同。煤矿是一较特殊的施工环境，鉴于其特殊性，为确保施工人身安全和工程顺利进行，特制定有针对性、可操作性的施工技术方案。内容包括：保护岩柱预留厚度、管棚工作室设计施做、孔位布置。3.1保护岩柱厚度计算计算以遇到的实际巷道端面作为基准，巷道以上断层带宽度范围内的破碎体垂直应力由断层带两端稳定岩石分担。参数取值为：巷道以上断层发育高度90m，断层带宽度18.15m，上覆地层平均容重2.65t/m3，水压10kg/cm2，管棚工作室宽度6.8m，岩石抗压强度2×107N/m2。经计算保护岩柱厚度H≥1.5m。安全系数取2.0，预留保护岩柱厚度不小于3.0m。3.2管棚工作室设计施做根据保护岩柱厚度值，工作室至断层拟预留岩石段4.0m，考虑到断层带附近岩石裂隙比较发育，为避免施工过程中水或浆液从裂隙中涌出，须在4m岩石预留段的基础上再做1m厚C20素混凝土墙，形成止浆墙。两帮浇筑200mm厚的C20素混凝土，顶部采用巷道原有支护方式。工作室保护带总厚度为5米。为使管棚施工有充分的工作空间，须在现有巷道断面向周边扩挖，形成管棚工作室。沿巷道周边（含巷道底部）向外扩挖净宽1.5m，工作室净宽度为7.0m，最大净高度为6.5m，沿巷道走向方向管棚工作室净长度≮8m。3.3孔位布置管棚孔布置：－230回风大巷过断层段断面为3.8m×2.9m拱形，管棚孔沿巷道周边成环行布置，距巷道开挖轮廓线Lg0.5m，孔间距＠0.35m。管棚钢管直径采用φ108mm，管壁布置梅花状透浆孔，孔径根据实际情况确定。管棚外注浆孔布置：注浆孔距管棚Lz0.3m，孔间距＠0.7m，管壁布设梅花状透浆孔。孔深与管棚孔相同且依据断层宽度来定。4施工工艺及技术措施－230顶板绕道管棚支护施工技术难度大、成孔过程中易发事故多、质量要求高。具体技术及措施如下：4.1施工工艺流程为了保证施工能够达到预期效果，采用的施工工艺流程具体见框图。4.2施工工艺原则根据4#勘查孔的钻探情况，断层与对盘基岩交接面处的涌水量较大，水量0.6～0.7m3/min。制定施工工艺原则是先管棚外注浆孔堵水，后施工管棚孔。钻孔施工要求间隔交叉进行施工，原则上要求成一孔注一孔。4.3搭建施工平台、钻场布置施工场地局限在已做好的管棚工作室内，孔位布置在迎头断面上，最高离下地面约6m，因此必须搭设脚手架，作为钻机工作平台。脚手架全部采用厚壁焊缝钢管搭成，由于钻孔布置呈环形，为使钻机移动方便，脚手架搭设成通长平面排架，层距不超过1m。4.4测量放线测量放线工作由地测科和施工方共同完成。巷道掘进地面线以上部分的钻孔孔位可以提前测量好并埋设PVC管，直接对准孔位即可。地面线以下经地测科进行测量放点。防止孔位交叉影响施工质量。4.5开孔与封孔根据施工工艺原则，先开管棚外注浆孔，后开管棚孔。管棚外注浆孔和管棚孔，开孔均采取硬质合金取心回转钻进工艺，取心钻进深度4.2m。在巷道掘进地面线以下，由于施工混凝土墙时，其内部填埋有大块岩石且硬，故采取金刚石取心回转钻进工艺钻进。封孔采用人工投水泥球，钻机辅助进行边挤压边补水泥料的方法进行操作。待凝24h后，方可进行跟管钻进。4.6跟管钻进保护岩柱段采用硬质合金取心钻头钻具取心钻进至5.5m左右停止，若遇到岩石破碎，需进行保护岩柱段注浆，若岩石完整则这一段不需注浆，其目的是浆液充填裂隙，提高保护岩柱段岩石强度，给后面断层带高压注浆提供可靠保证。跟管钻进采用单动双管回转钻进工艺，具体施工钻具：外管由注浆套管与主动钻杆组合，内管由小钻头与主动钻杆共同组合而成。钻进过程岩粉由内外管环空间隙通过复合接头处排除，当钻进进尺缓慢，套管内充填岩粉较多排除不完全时，用内管钻具回转钻进排除套管内的岩粉，完毕后接上外管钻具重新回转钻进，注浆套管用电焊机焊接牢靠，防止因钻具扭矩过大丝扣产生滑丝而脱扣现象，导致后续套管再无法接上。如此循环钻进直至注浆套管下至设计深度，退出内管钻具即可。4.7注浆工艺4.7.1注浆材料水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥。水玻璃作速凝剂，波美度为35Be，模数24。4.7.2注浆方法及浆液配比注浆方法：断层段采用挤密和劈裂两种注浆工艺，基岩段堵水注浆采用基岩裂隙充填注浆，浆液为水泥素浆。浆液配比：水灰比1.5∶1～0.5∶1，水玻璃的添加比例为水泥量的3～5％。4.7.3终止注浆注浆依次按下操作：⑴用钢板将套管与孔口管之间的环空间隙封堵，并用电焊机焊接。⑵用注浆接头封套管。⑶用高压双液型注浆泵，将配置好的浆液通过注浆管路灌注入钻孔内。⑷.在孔内压力达到设计要求或调整值后，稳定孔内压力时间t≮5min，即可停止注浆作业。本次注浆终注压力P=4～6MPa。5管棚质量检查为了检查管棚支护技术的施工效果，保证巷道安全掘进，在管棚和注浆孔施工结束后，必须施工检查孔，对施工效果进行检查。检查孔沿巷道掘进方向自底部向上左右两帮各施工一个。从取心钻探结果看，取出的岩心如实反映了保护岩柱、断层带内充填物及断层对盘岩石情况，水泥浆液扩散凝固效果较好，钻孔在取心检查深度范围内出水甚微，而在左右两侧钻孔外施工的两个放水孔（钻孔与巷道轴线有一定夹角）在超过管棚支护范围外出水量较大，表明钻孔注浆形成的帷幕效果较好，满足预期设计要求。6结语经过3个月的紧张施工，-230顶板绕道管棚支护施工顺利完成，并于2004年9月24日该巷道掘进顺利通过F2/断层,实践证明:⑴利用管棚支护技术对煤矿井下巷道掘进穿越大断层是成功的。⑵施工采用的跟管钻进工艺以及所选用的成孔设备和钻具组合合理有效，完全能够满足井下管棚施工的技术要求。⑶管棚支护技术应用于煤矿井下巷道掘进，不但拓宽了管棚支护技术的应用范围，而且给煤矿建设中巷道穿越复杂软弱地层提供了一条新的技术途径，对同类型煤矿巷道安全有效掘进具有借鉴作用。