石掖市石掖矿采空区的探测分析

石掖市石掖矿采空区的探测分析

石沟岭煤矿是一座已有70多年的开采历史的煤矿，设计生产能力为90万吨/a。现掘进的上部猴车巷是一条为矿井辅助运输服务的开拓巷道,巷道标高+920～+870m,布置在3#煤层中,埋深143m,距该巷道0～40m有一条为矿井服务的旧总回风巷。在猴车巷掘进过程中,揭露出17条空巷和1个旧法房柱式开采的老空区,其中1条做风桥通过,其余16条老巷顶板完整,采用锚杆加固空巷两帮及顶板砌墙通过;但旧法房柱式采空区顶板破碎严重,采用原设计的“锚网喷+锚索”已不能满足支护要求。因此提出了过旧法采空区的“大高度密集金属支架+大厚度料石砌墙”支护方案,并配合注浆加固塌落大块碎石的整体设计方案,有效地解决了巷道塌落和围岩变形的严重问题,取得了良好的技术效果。1巷道围岩布置猴车巷设计长度318m,过采空区段32m,巷道为净断面4m×3.5m矩形断面,断面面积14m2,设计采用锚网喷联合支护,巷道沿煤层顶板布置。在巷道掘进过程中揭露的17条空巷,与猴车巷呈45～80°倾斜相交,距贯通点50m处遇到煤房采空区。采空区未塌实,空顶高度达7～10m,采空区向北偏西方向延伸,界线清晰,直接顶已经破碎,自下而上破碎块度渐大,与采空接顶的大块岩石已发生断裂离层。2采空区的问题2.1地质及相关数据资料此采空区为解放前小煤窑开采后所留,由于采过时间较长,没有留下详细的地质及相关数据资料。现仅知道旧法房柱式开采只回采顶层煤,采高2.5m左右。2.2探孔的初步探测因采空区范围不清,因此必须对采空区进行探测分析。根据矿井开采历史所留资料和以往遇到的相同情况对比分析,旧法房柱开采的范围一般为20～25m的矩形。为了准确掌握采空区的实际范围,在与其相邻的回风斜井联络巷和旧总回风巷中打钻探孔进行探测,见图1。实测的探孔数据资料见表1。根据所打探孔测得的数据得出结论为:采空区巷道掘进方向长度为32m左右。2.3老顶分层厚度通过对已掘5m巷道收集数据分析,采空区上方老顶已有1～4处的离层,离层厚度达200～400mm。根据公式对采空区顶板进入断裂带的老顶分层进行计算。其计算公式如下:Hi≥M−[∑li−1Hi(K1−1)+h(Kz−1)]+2Ηi≥Μ-[∑li-1Ηi(Κ1-1)+h(Κz-1)]+2;式中:Hi为由下而上第i层老顶分层的厚度,m;M为煤层采高,m;K1为老顶及其附加岩层的岩石碎胀系数,取1.15～1.33;残余碎胀系数取1.1;h为直接顶厚度,m;Kz为直接顶岩层的岩石碎胀系数,取1.33～1.5;残余碎胀系数取1.1。根据此段巷道掘进揭露采空区和其附近的钻孔资料可知,式中:采高M=2.5m;直接顶为页岩h=0m;由下而上的老顶分层厚度为:页岩4.39m,砂质页岩4.4m,中砂岩9.03m。得出以下结论:顶板中老顶第二层分层4.4m厚的砂质页岩进入断裂带。但由于采空已有60年以上,塌落的及进入断裂带顶板岩石已发生风化,岩层中的层理已经发育,导致顶板岩石发生离层增多现象。3比较方案3.1解决方案3:断续44#采空区段从揭露的采空区分析,前方采空区,碎石已充填满,传统的掘进方法会使上方的石块继续向下塌落,第一方案拟采取绕道布置巷道方案,即绕过采空区。根据1～4#钻孔测得的数据值,巷道沿掘进方向左帮采空区范围最大不超过3m,而且采空区长度20余m,长度范围也较短。与旧总回风间的实体煤还有28m,其中可以布置巷道。从空巷位置向后退20m,由巷道左帮开口绕行掘进。拟布置巷道,见图2。绕道方案可以避开采空区中,降低掘进风险和成本,加快掘进速度。但将被迫改变原设计巷道方向,给设备安装后续工程带来诸多不利影响。3.2巷道布置平面布置因所掘巷道是一条为矿井辅助运输服务的开拓巷道,设备安装为架空乘人器,安装及规范使用要求巷道必须平直。若在巷道中布置一个绕道,在今后的使用过程中,设备的运行磨损增大,而降低使用年限。为了设备的安全、可靠、高效地运行,决定采用第二方案,即取直巷道加固掘进。4为不同的砂浆加固和联合防护技术而设计的技术4.1喷射混凝土巷道现采用马丽散注浆加固配合大高度密集金属支架料石砌墙过采空区。同时对支护设计进行了变更。采用传统的工字钢梯形棚对巷道进行支护,料石砌墙350mm,表面再喷射混凝土100mm,巷道表面经喷射混凝土封闭起到加固的作用,墙体强度增加。这样巷道掘进最大宽度达5.6m,高度为4m。考虑到巷道断面大,并且在采空区下,工字钢棚距由原来的800mm变为现在设计的200mm,顶、帮安装混凝土盖板,对工字钢棚与料石墙中间进行充填充实。4.2预应力锚索注浆注浆1)根据现场查看在巷道顶板破碎处采用风钻或锚杆钻机打孔,孔径为42～45mm,孔深4m(4个孔),30°角打孔,打孔完工后,开始注浆。2)在巷道顶夹角处钻机打孔,孔径为42～45mm,孔深4m,间距1.5m,30°角打孔,打孔完工后,封口器放在1.5m处,开始注浆(马丽散)。钻孔布置可根据现场情况决定。3)在巷道垮落区采用罗克休充填,根据现场情况以充实垮落区为好,在清矸过程中要及时架棚支护。4)清矸完工后,采用马丽散进行超前加固。孔径为42～45mm,孔深4～6m,钻孔布置可根据现场情况决定。5马丽散加固后的棚压生此巷施工掘进遇采空区开始的5m,没有使用马丽散进行加固,其顶板变形量达20～40mm以上,施工过程中已出现两架棚压垮的现象,使用马丽散加固后,掘进速度大大加快。巷道掘通后,对联合支护段取5个点进行了定点观测,