K8403回采過無炭柱方案匯報(3)9.21

1、郝兵元（博士、副教授）太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院2010年9月21日陽 煤 集 團 三 礦 擴 四 區(qū) K 8 4 0 3 工 作 面 進(jìn) 風(fēng) 巷 揭 露 一 陷 落 柱 X 1（4423m），在工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間曾發(fā)生頂板潰泄現(xiàn)象，一度導(dǎo)致無法掘進(jìn)，嚴(yán)重影響掘進(jìn)工程進(jìn)度并造成安全隱患。當(dāng)時采用了繞巷施工到陷落柱的另一端，并用TWK混凝土外加劑超前預(yù)注漿，對陷落柱巷道頂板范圍內(nèi)局部進(jìn)行了加固，陷落柱內(nèi)的破碎巖體局部固化，起到了加固巷道頂板的作用，才使得掘進(jìn)巷道勉強通過形成貫通。但在工作面整體通過時，揭露陷落柱的面積更大，由于柱體處于工作面工作面的端部應(yīng)力增高區(qū)的端部應(yīng)力增高區(qū)，工作面回采接近時

2、更受到超前支承壓力超前支承壓力的影響，陷落柱在高應(yīng)力的作用下，穩(wěn)定性更差，同時可能伴生有涌水、瓦斯、潰頂、陷底等事故的發(fā)生。因此，研究陷落柱的構(gòu)造特性及對頂?shù)装逵绊懙牧W(xué)機理，陷落柱的加固的處理部位與范圍，工作面通過陷落柱的工程措施，以及其安全性和可行性，保證回采工作順利進(jìn)行，對礦井的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。根據(jù)研究工作的需要，為了詳細(xì)了解K8403工作面進(jìn)風(fēng)陷落柱X1周邊圍巖的強度及力學(xué)特性，在陷落柱附近分別對頂?shù)装暹M(jìn)行了鉆孔取樣工作，并于8月19日委托水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院巖土試驗中心進(jìn)行了六組巖層77個試樣的加工及力學(xué)性能檢測，8月29日拿到報告，取得了巖性參數(shù)成果，作為本方

3、案設(shè)計中選用參數(shù)的依據(jù)。需要指出的是，在采取巖樣的過程中，由于鉆孔取芯成芯率很低，不能滿足要求，最終大部分巖樣取自進(jìn)入高抽巷的穿層巷道中，巖樣受巷道掘進(jìn)過程中的影響，致使實驗結(jié)果指標(biāo)偏低，在實際計算過程中要考慮這方面的影響。（檢測報告見附件）加工巖樣試件圖 試驗依照水利水電工程巖石試驗規(guī)程（中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL264-2001），第5章“巖塊力學(xué)性質(zhì)試驗”相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。所取巖樣分別對應(yīng)于柱狀圖的15,14,13,12,11,10號巖層K8403工作面陷落柱X1位置圖K8403工作面進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)過程中，揭露陷落柱X1（4423m），掘進(jìn)期間柱體內(nèi)曾出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，且出現(xiàn)陷落柱潰泄，致使無法正面

4、通過，對生產(chǎn)造成較大影響。最后采取先施工繞巷，注漿加固，返頭掘進(jìn)才安全貫通。1）陷落柱體內(nèi)組成特征:陷落柱內(nèi)巖性復(fù)雜，棱角分明，滾圓度差，形狀不規(guī)則，排列無規(guī)律，雜亂無章，常被一些泥質(zhì)物充填膠結(jié)，但膠結(jié)性差，柱體內(nèi)發(fā)現(xiàn)有淋頭水出現(xiàn)。2）陷落形態(tài)：平面形態(tài)：一般多呈橢圓形、圓形、渾圓形、長橢圓形，也有極個別奇形怪狀和尖棱狀，X1為橢圓形。斷面形態(tài)：總的形態(tài)是呈上小下大圓錐狀的柱體，也有個別呈上大下小的，主要是因為上部圍巖為松散的沉積物或較軟的泥巖及煤層所致。陷落角隨塌陷高度而變化，一般上部較小，而下部較大，在70度以上。3）陷落柱軸線形態(tài)：巖溶陷落柱中心軸在各煤層平面上投影并不完全重疊，而有些錯

5、位，也就是說中心軸并不是垂直的直線，而發(fā)生偏斜和彎曲。柱體中心軸形態(tài)表現(xiàn)為歪斜、彎曲、扭轉(zhuǎn)形態(tài)。4）柱面與圍巖的接觸關(guān)系：柱面與煤層接觸面除少數(shù)為鋸齒狀外，一般呈不規(guī)則的曲線狀，且被一層光滑的泥質(zhì)物質(zhì)所充填，厚度多在0.020.05m，這層泥質(zhì)物質(zhì)是陷落柱的巖塊與煤層接觸的空隙被水溶解的泥質(zhì)物所充填，而后又經(jīng)構(gòu)造運動的擠壓發(fā)生剪切滑動形成的。接觸面附近圍巖一般無牽引現(xiàn)象，只是煤層頂?shù)装寮懊簩悠扑?，裂隙發(fā)育，但在個別較大的陷落柱內(nèi)，陷落巖塊比較完整或呈整體下陷，強大的巖塊自身重力對煤層的頂?shù)装瀹a(chǎn)生牽引作用，致使煤層頂?shù)装逑蛑w中心傾斜，巖層產(chǎn)狀發(fā)生變化，其傾斜度最大可達(dá)1720度。X1屬于前者。

6、一般危害破壞可采煤層，減少煤炭儲量影響正規(guī)采煤，制約機械化作業(yè)提高了掘進(jìn)率，降低礦井效益陷落柱對煤礦安全生產(chǎn)造成影響X1對本工作面存在的潛在危害透水：工作面在進(jìn)風(fēng)巷遇陷落柱X1前，先后施工5個放水孔，疏放15#煤層老頂四節(jié)石灰?guī)r裂隙水和柱體內(nèi)積水5896m3。在陷落柱內(nèi)掘進(jìn)期間，一直淋頭水不斷，并在掘至12m時出現(xiàn)潰瀉現(xiàn)象，表明柱體與含水層有水力聯(lián)系，存在透水隱患。工作面頂板冒落壓架陷落柱附近煤層頂板一般較為破碎，經(jīng)揭露的陷落柱內(nèi)的巖石強度極低，曾經(jīng)發(fā)生潰瀉至使回風(fēng)巷在掘進(jìn)過程中無法通過。因此在工作面通過時，存在柱體內(nèi)巖塊承載力降低而發(fā)生潰瀉冒頂?shù)目赡苄?，加之陷落柱又處在工作面端頭應(yīng)力集中增高

7、區(qū)域，更容易發(fā)生冒頂、片幫及潰瀉壓架事故。瓦斯事故高瓦斯礦井在接近陷落柱處工作面瓦斯涌出量可能急劇增大，管理疏忽易發(fā)生瓦斯事故。底板下陷影響支架通過陷落柱附近及陷落柱內(nèi)，與煤層底板相同標(biāo)高范圍內(nèi)柱體較為破碎和松軟，支架通過時受頂板的強大壓力作用容易下陷，支架無法對頂板提供足夠的支撐力，導(dǎo)致頂板狀況惡化，而且移架困難，極易發(fā)生壓架事故，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。（依據(jù)K8403工作面規(guī)程第四章頂板控制中支護設(shè)計部分）根據(jù)鄰面K8404工作面現(xiàn)場實測，預(yù)測本面初次來壓強度為360KN/m2，周期來壓強度為350 KN/m2，K8403工作面合理支護強度選取540KN/m2。（依據(jù)K8403工作面規(guī)程第四章頂板

8、控制中支護設(shè)計部分）進(jìn)風(fēng)超前段頂板載荷：（動壓影響一般取靜壓時的24倍，這里取3）Q進(jìn)=3Q頂=345=135kN/m2Q頂靜壓情況下頂板載荷，kN/m2 ；（一）加固范圍與強度計算圖7.1.2 陷落柱最大寬度處普氏免壓拱模型示意圖陷落柱某一水平切面的垂直應(yīng)力只與柱體的容重、內(nèi)摩擦角、側(cè)壓系數(shù)以及柱體直徑有關(guān)，與該平面的埋藏深度無關(guān)。工作面與陷落柱距離影響陷落柱柱體及其周圍的應(yīng)力分布狀態(tài)：距離較近時受采動影響，陷落柱柱體及其圍巖應(yīng)力會迅速增加。根據(jù)普氏地壓理論，在拱ABC內(nèi)的均布頂壓為：式中：q免壓拱內(nèi)的均布頂壓，kN/m2；頂板巖石平均容重， kN/m3，取25；f普氏巖石堅固性系數(shù)，f=

9、Sc/10，Sc為巖石單軸抗壓強度（MPa）；a拱半徑，為AC線段一半長。要想保證工作面通過陷落柱段時支架及巷道支護的安全性，必須能夠保證陷落柱段的頂壓不超過進(jìn)風(fēng)巷超前支護段的頂板動壓載荷135kN/m，同時也滿足了工作面支護強度的要求：則必須使陷落柱體內(nèi)的巖體普氏硬度系數(shù)：也就是能夠使陷落柱體內(nèi)的巖體抗壓強度：在此條件下，穩(wěn)定平衡拱高：為了保證能夠形成免壓拱，在拱高的兩倍范圍內(nèi)必須巖性強度一致，這樣就要求從拱腳起算向上2b=10.82米范圍內(nèi)必須加固為具有同一強度特性的巖體才能滿足要求，加固體的單軸抗壓強度Sc12.8 MPa，因此加固范圍確定為進(jìn)風(fēng)巷道拱肩以上10.82米，也即煤層頂板以上

10、6.12米，為了便于施工，近似取煤層頂板以上6米為加固邊界，也即圖7.1.1所示的C值為6m。為了驗證力學(xué)推導(dǎo)得出加固范圍結(jié)論的正確性，通過數(shù)值模擬的方法來進(jìn)一步加以論證。建立如圖7.2.1所示的計算模型。其尺寸為450m200m，陷落柱直徑為44m，高度為160m，采場尺寸為5m3m。加固厚度底板1m+煤層厚度6m+頂板加固厚度，確定煤層上方頂板的加固厚度是關(guān)鍵。陷落柱加固體采場圖7.2.1 數(shù)值計算模型 圖7.2.2 水平方向應(yīng)力等值線圖 圖7.2.3 垂直方向應(yīng)力等值線圖 圖7.2.4 xy方向剪應(yīng)力等值線圖 7. 2.5 工作面前方15米范圍內(nèi)應(yīng)力曲線圖7.2.6 工作面頂板5米范圍內(nèi)

11、應(yīng)力分布曲線 圖7.2.7 工作面底板1米范圍內(nèi)應(yīng)力分布曲線從 圖 中 可 以 看 到 ： 工 作 面 最 大 水 平 方 向 壓 應(yīng) 力 為7.30MPa，垂直方向最大壓應(yīng)力為16.5MPa，最大剪應(yīng)力為1.35MPa。頂板內(nèi)0.6米和1.4米深度范圍內(nèi)分別為水平拉應(yīng)力區(qū)和垂直拉應(yīng)力區(qū)，最大水平拉應(yīng)力為1.75MPa，最大垂直拉應(yīng)力為4.36MPa。底板內(nèi)0.6和0.7米深度范圍內(nèi)分別為水平方向拉應(yīng)力區(qū)和垂直方向拉應(yīng)力區(qū)，最大水平拉應(yīng)力為6.83 MPa，最大垂直方向拉應(yīng)力為5.01MPa。從圖中可以看到：工作面最大水平方向壓應(yīng)力為7.30MPa，垂直方向最大壓應(yīng)力為16.5MPa，最大剪應(yīng)

12、力為1.35MPa。頂板內(nèi)0.6米和1.4米深度范圍內(nèi)分別為水平拉應(yīng)力區(qū)和垂直拉應(yīng)力區(qū)，最大水平拉應(yīng)力為1.75MPa，最大垂直拉應(yīng)力為4.36MPa。底板內(nèi)0.6和0.7米深度范圍內(nèi)分別為水平方向拉應(yīng)力區(qū)和垂直方向拉應(yīng)力區(qū)，最大水平拉應(yīng)力為6.83 MPa，最大垂直方向拉應(yīng)力為5.01MPa。從圖中可以看到：工作面最大水平方向壓應(yīng)力為7.17MPa，垂直方向最大壓應(yīng)力為16.5MPa，最大剪應(yīng)力為1.06MPa。頂板及底板內(nèi)均無拉應(yīng)力區(qū)。綜上所述，煤層上方加固厚度為1m，2m，3m，4m，5m時，工作面上方巖體內(nèi)均出現(xiàn)垂直方向和水平方向的拉應(yīng)力區(qū)，而且拉應(yīng)力都較大；當(dāng)煤層頂板上方加固厚度達(dá)到

13、6m時，其頂?shù)桶鍘r層中的拉應(yīng)力區(qū)消失，在各個方向均表現(xiàn)出受壓狀態(tài)，該狀態(tài)對工作面支護極為有利。同時，工作面表面的最大垂直方向壓應(yīng)力為16.5MPa，另外在液壓支架的支持作用下，此處的壓應(yīng)力將遠(yuǎn)低于這一值。據(jù)此，除加固底板（1m）和煤層所在位置的厚度（6m）外，在煤層上方再加固6m，與理論計算相一致。因在K8403進(jìn)風(fēng)巷穿過X1陷落柱時已經(jīng)遭遇了潰瀉阻礙掘進(jìn)工程推進(jìn)的前車之鑒，在K8403工作面采完以后，馬上面臨K8402工作面的回采巷道開掘和回采，X1斷層在該工作面的覆蓋面積更大，同時受到了K8403工作面回采動壓的破壞，影響較K8403更甚。K8402工作面平巷在采空區(qū)側(cè)保護煤柱寬為10m，

14、煤柱穿過陷落柱約34m（2939m）左右，這段距離內(nèi)全為松散的陷落體，強度難以保證，必須在K8403工作面通過以前采取措施對其加固和支護，否則將失去對煤柱進(jìn)行加固的作業(yè)環(huán)境，會對下一區(qū)段平巷的開掘和維護帶來嚴(yán)重隱患。根據(jù)普氏免壓拱模型示意圖所示，對于拱的兩幫也應(yīng)與柱體內(nèi)的加固陷落體具有同等的強度才能滿足模型的成立條件，因此靠近煤柱一側(cè)也相應(yīng)加固。加固的范圍應(yīng)考慮下一區(qū)段回風(fēng)巷的位置。下一區(qū)段平巷K8402回風(fēng)將在陷落柱體內(nèi)通過約41m，借助K8403回風(fēng)巷掘進(jìn)的經(jīng)驗，若在掘進(jìn)時再采用邊加固頂板邊掘進(jìn)邊支護的形式施工，1.2m為一個循環(huán)注漿一次，加固體必須在注漿后72小時才能達(dá)到預(yù)期強度，才可進(jìn)

15、行下一個1.2m的循環(huán)，這樣計算下來通過陷落柱大約需90天左右，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度。若在8403進(jìn)風(fēng)加固施工時就研究制定加固方案，情況將會改善許多。由于受施工條件所限，K8402工作面范圍內(nèi)的陷落柱因距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)有的注漿加固技術(shù)手段難以保證質(zhì)量，可以在K8402平巷開掘之后穩(wěn)定一段時間，在回采之前擇時再處理，在保證加固效果同時也不影響回采進(jìn)度。在綜合考慮以上因素之后，煤柱側(cè)注漿孔長度應(yīng)以穿過K8402回風(fēng)平巷2m為宜。對于底板, 陷落柱附近及陷落柱內(nèi)，與煤層底板相同標(biāo)高范圍內(nèi)柱體較為破碎和松軟，支架通過時受頂部柱體的強大壓力作用容易下陷，支架無法對頂板提供足夠的支撐力，導(dǎo)致頂板狀況惡化，而且無法

16、移架，極易發(fā)生壓架事故，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，同樣需要加固注漿，依據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，加固厚度為1m即可滿足要求，為可靠起見，估算注漿厚度在2m為宜。通過建立數(shù)值計算模型，分析工作面通過陷落柱前后距離不同時應(yīng)力分布情況，根據(jù)柱體內(nèi)的應(yīng)力變化分析，討論工作面與陷落柱距離的影響關(guān)系。陷落柱采空區(qū)冒落體采場圖9 數(shù)值計算模型圖9.49 采動對陷落柱內(nèi)巖體影響關(guān)系曲線實驗結(jié)果分析及結(jié)論：將工作面距陷落柱不同距離時柱體內(nèi)巖體對應(yīng)的應(yīng)力提取出來，繪制距離應(yīng)力曲線圖，如圖9.49所示。圖9.49可以看出：工作面距離陷落柱大于80m時，柱體內(nèi)應(yīng)力變化較為緩慢，可以判斷此時采動對柱體內(nèi)巖體的影響較弱；距離小于80m時，柱體

17、內(nèi)水平應(yīng)力和垂直方向的應(yīng)力均迅速增大，工作面回采活動對陷落柱內(nèi)巖體的影響開始變得強烈，當(dāng)距離小于10m時，影響最為強烈；當(dāng)采煤工作面推入柱體內(nèi)時，柱體內(nèi)的應(yīng)力迅速下降，這是由于柱體內(nèi)破碎巖體的承載能力極低，如果不進(jìn)行加固，工作面將無正常法安全通過。并且，加固工作必須在進(jìn)入強烈影響期之前（即：工作面距離陷落柱邊界80m處），就要完成對陷落柱的加固工作并使其達(dá)到長時強度，否則就會對加固的質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。采用一定的工程技術(shù)手段，對陷落柱內(nèi)的充填體進(jìn)行整體加固，提高其整體力學(xué)性能和自身的承載能力，隔斷水和瓦斯涌出通道，是工作面順利通過陷落柱問題的關(guān)鍵所在。工作面整體通過時，揭露陷落柱的面積更大，同時

18、由于柱體處于工作面的端部應(yīng)力增高區(qū)，陷落柱在高應(yīng)力的作用下，整體破壞更嚴(yán)重，頂?shù)装宸€(wěn)定性更差。因此，需要對回采過程中的陷落柱整體固化，且需進(jìn)一步提高固化強度，滿足工程的需要。1 加固原理：加固原理：采用TWK納米級水泥基復(fù)合劑，TWK高分子高強固化劑，配合525號水泥進(jìn)行無炭柱超前預(yù)注漿加固。WK納米級水泥基復(fù)合劑與水泥攪拌后勃朗運動活潑，同時與水泥進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成真溶液狀的凝膠液，使其與陷落柱體內(nèi)的泥巖、粉質(zhì)砂巖等充分膠結(jié)固化。TWK高分子高強固化劑可根據(jù)工程實際需要任意調(diào)整膠凝時間，使柱體內(nèi)的破碎松軟巖體得到充分固化，達(dá)到圍巖自穩(wěn)所需承載力，達(dá)到工作面安全、高效、快速通過之效果。根據(jù)所注

19、漿體的活性和擴散半徑為0.5-1.0米的特性，在明確了煤層頂板以上的加固厚度C=6m后，就可設(shè)計鉆孔的布置數(shù)目、位置、深度和水平施工角度，如圖所示。工作面過陷落柱注漿孔布置示意圖8403進(jìn)風(fēng)巷8402回風(fēng)巷8402尾巷IIIIII鉆孔以巷道拱圓心為中心呈扇形分布，往工作面一側(cè)鉆孔長度以見煤后再進(jìn)1m為終點，水平距離9.76m；頂板上以煤層頂板以上6m為界；煤柱一側(cè)水平距離為15.5m。孔間距按鉆孔最遠(yuǎn)端相鄰孔距2m作為優(yōu)先約束條件計算，近端距離因此得到。排間距定為1m，若一排內(nèi)孔太密，可按五花孔的形式，將一排內(nèi)的鉆點間隔按0.5m向另一排方向移，形成與本排并列的另一排鉆點，與下一排也相距0.5

20、m。8403進(jìn)風(fēng)巷8402回風(fēng)巷I-I剖面II-II剖面(1)準(zhǔn)備動力風(fēng)源要求4-7kg；(2)準(zhǔn)備風(fēng)管（膠管），要求直徑1寸，長度40m；(3)準(zhǔn)備四根10m的25mm的高壓膠管；(4)注漿花管采用25mm的無縫鋼管，每節(jié)長2.8米，準(zhǔn)備多根；注漿管加工具體如圖示。(5)安排專業(yè)人員進(jìn)行打孔，并配備2-3名施工人員；(6)儲漿桶4個（可用油桶做）(7)風(fēng)動式型注漿泵1臺。(8)自制風(fēng)動式攪拌器。施工過程中，為避免巷內(nèi)打孔過密對巷道的穩(wěn)定性造成影響，建議在打完第一排孔后，向前隔兩排，再從第三排施工（圖10.5-10.6示所有A排）。當(dāng)全部施工完A排后返回施工B排，最后完成C排。(2)花管采用25的無縫鋼管，長2.8米，頂端呈圓錐形，周邊呈梅花形布置，間距15cm長的花孔，孔徑10，前端套絲，安裝25的球型閥。同時加工花管延長連結(jié)件，每節(jié)長2.5米，使注漿花管可延長至需要尺寸。4強度可靠性分析強度可靠性分析根據(jù)加固施工單位相關(guān)工程的經(jīng)驗，加固體在理想狀態(tài)下的強度可達(dá)18MPa，在具體工程應(yīng)用中由于受各種不確定因素和地質(zhì)條件的影響會有所降低。在本工程中，主要影響因素為陷落柱體內(nèi)有淋水，會對強度有所影響。從計算來看，加固體的強度大于12.8MPa就可滿足強度要求，同時加固過程中的注漿花管完成注漿后，已全程錨固于陷落體內(nèi)，起致了全程錨固錨桿的作用