劉小軍

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

斷層作為一種不良隱蔽的地質(zhì)體，嚴(yán)重影響煤礦工作面或者掘進(jìn)工作面的生產(chǎn)安全。由于斷層的影響，會(huì)致使斷層周圍煤巖體破碎，強(qiáng)度降低，導(dǎo)致煤體整體的承載穩(wěn)定性嚴(yán)重下降[1-2]。在工作面正常回采或者掘進(jìn)工作面掘進(jìn)時(shí)，由于二次擾動(dòng)進(jìn)一步加劇煤體的變形，進(jìn)而導(dǎo)致工作面煤壁發(fā)生嚴(yán)重片幫或者掘進(jìn)巷大變形、冒頂?shù)仁鹿蔥3-5]。因此，在井下采掘工作展開前，需要根據(jù)地質(zhì)探測(cè)的結(jié)果，預(yù)先制定好過斷層的措施，從煤體注漿加固和巷道圍巖參數(shù)補(bǔ)強(qiáng)兩方面展開具體的實(shí)施方案分析，從而保證采掘工作面的安全生產(chǎn)。

1 工程概況

陽煤集團(tuán)和順新大地煤業(yè)15303綜采工作面標(biāo)高為979～1036 m，在1060水平開采15#煤，平均煤厚為5.52 m。15303工作面走向長1209 m，煤層傾角為1°～8°，為近水平煤層。煤層的直接頂為8.18 m厚的黑色泥巖，基本頂為7.82 m厚的細(xì)砂巖，直接底為3.9 m的砂質(zhì)泥巖，基本底為2.8 m的泥巖。

根據(jù)15303工作面掘進(jìn)探測(cè)說明可知，在15303工作面回風(fēng)順槽向前掘進(jìn)過程中會(huì)揭露DF-4正斷層，斷層產(chǎn)狀為318°∠72°，斷層落差為0～4 m。斷層在15303回風(fēng)巷，斷層影響范圍基本貫穿15303低位抽采巷與回風(fēng)巷。根據(jù)斷層的賦存特征，為了防止揭露斷層對(duì)巷道掘進(jìn)工作面的影響，需要加固斷層影響范圍內(nèi)的松散破碎煤體，并加強(qiáng)15303回風(fēng)巷道的支護(hù)參數(shù)，工作面巷道布置及斷層分布如圖1。

圖1 15303工作面巷道布置及斷層分布示意圖

2 巷道圍巖加固方案分析

斷層會(huì)使煤體賦存狀態(tài)變差，完整性降低，加上在巷道開挖后，煤體受力狀態(tài)由三維轉(zhuǎn)化為側(cè)向壓力降低的二維受力狀態(tài)，會(huì)引起巷道的大變形甚至冒頂。

控制斷層影響范圍內(nèi)的巷道圍巖需要首先從加強(qiáng)影響范圍內(nèi)巷道的支護(hù)參數(shù)入手，然后采用注漿加固的方法從根本上解決煤體松軟破碎的問題。兩方面結(jié)合的綜合加固方案，維護(hù)巷道的穩(wěn)定，保證掘進(jìn)工作面安全。

2.1 斷層影響范圍巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

15303進(jìn)風(fēng)巷為矩形斷面，凈寬度5.0 m，高度4.0 m，斷面面積20 m2。按照礦方要求，遇到構(gòu)造需要及時(shí)停止掘進(jìn)，根據(jù)實(shí)際情況提供三視圖后設(shè)計(jì)相應(yīng)的支護(hù)方案，需要堅(jiān)持“掘一支一”的原則，錨索必須打到堅(jiān)硬巖層內(nèi)部。因此15303巷道錨索長度需要大于直接頂厚度，錨固至7.82 m厚的細(xì)砂巖中。根據(jù)以往支護(hù)經(jīng)驗(yàn)和遇構(gòu)造的支護(hù)要求，設(shè)計(jì)斷層影響范圍內(nèi)的支護(hù)參數(shù)如圖2。

如圖2所示，巷道依然主要采用錨索和錨桿組合支護(hù)的方案，在頂板和兩幫適當(dāng)加密錨桿索。巷道頂板共設(shè)計(jì)5根高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿規(guī)格Ф22 mm×2400 mm。兩側(cè)錨桿距幫部約500 mm，傾斜角度為75°，中間三根錨桿垂直于頂板，錨桿的間距為800 mm。錨索距離幫部1500 mm，垂直于頂板，選用規(guī)格為Ф22 mm×15 000 mm的高強(qiáng)度鋼絞線錨索，錨索間距為2000 mm，并采用礦用工字鋼補(bǔ)強(qiáng)。巷道兩幫各設(shè)計(jì)3根錨桿，對(duì)稱設(shè)計(jì)。以工作面幫部為例，上排錨桿仰角設(shè)計(jì)為15°，距離頂板垂直距離為500 mm；中間和下排錨桿垂直于煤體，間距為1500 mm，選用規(guī)格與頂板錨桿相同。

由圖2（b）可知，沿著巷道長軸方向，錨桿與錨索間隔布置。其中，錨桿的排距為1500 mm，錨索間距為3000 mm，并且在頂板設(shè)計(jì)鋼筋梯子梁和8號(hào)金屬網(wǎng)。

圖2 巷道支護(hù)參數(shù)示意圖

2.2 過斷層注漿加固方案分析

為了保證巷道穩(wěn)定，在巷道揭露斷層前10 m范圍開始注漿，斷層揭露完畢后繼續(xù)加固10 m結(jié)束，注漿加固范圍共計(jì)120 m。注漿鉆孔布置如圖3。

由圖3可知，根據(jù)巷道的高度，結(jié)合斷層落差約為0～4 m的特征，將注漿鉆孔整體設(shè)計(jì)為五花眼布置，可以使注漿有一定的高度差，進(jìn)而加固到斷層影響范圍。設(shè)計(jì)上排注漿孔距離頂板500 mm，由于布置方式鉆孔較密集，同一排的注漿孔間距為5 m，上下鉆孔間距為2 m，中間注漿孔與下排注漿孔間距為1.0 m。按照上述注漿孔設(shè)計(jì)方案，共計(jì)施工鉆孔74個(gè)。注漿孔的孔徑均為76 mm，孔深設(shè)計(jì)為25 m。

圖3 過斷層注漿鉆孔布置示意圖

注漿工藝主要是先封孔后注漿。注漿材料選擇礦用單液注漿材料，封孔長度為5 m，封孔處兩端用棉花堵住，隨后選擇水灰比為0.6:1的注漿材料，該材料無機(jī)無污染，失流時(shí)間約為10 min，可以快速封堵孔口處的裂隙，防止后續(xù)注漿時(shí)從明顯的裂隙處發(fā)生漏漿等現(xiàn)象。注漿段的材料水灰比選用1:1，該水灰比的材料在干料和水混合后15 min內(nèi)凝固，2 h強(qiáng)度3.6 MPa，最終強(qiáng)度可達(dá)15.8 MPa。注漿段的注漿壓力設(shè)計(jì)為6～8 MPa，注漿過程中，如果發(fā)現(xiàn)有明顯的漏漿情況，可以適當(dāng)降低注漿壓力，或者暫停注漿一段時(shí)間，隨后繼續(xù)注漿。單孔的注漿量沒有明確的要求，原則上為注滿為止。注漿系統(tǒng)主要由氣動(dòng)泵、攪拌桶和相應(yīng)的注漿管路組成，設(shè)備選擇主要是一個(gè)礦用氣動(dòng)泵，相應(yīng)的配備兩個(gè)200 L的礦用氣動(dòng)攪拌桶。兩個(gè)攪拌桶可以滿足交替持續(xù)注漿，并且系統(tǒng)設(shè)備較小，便于在井下巷道中搬運(yùn)。

3 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

巷道掘進(jìn)過程中，根據(jù)礦方初期設(shè)計(jì)要求，需要在巷道內(nèi)設(shè)計(jì)觀測(cè)站，觀測(cè)站間距為300 m/個(gè)。其中2號(hào)觀測(cè)站對(duì)接切眼600 m處，恰好在斷層影響范圍內(nèi)，因此選取2號(hào)觀測(cè)站收集的巷道變形數(shù)據(jù)，繪制巷道變形特征曲線，通過巷道變形量大小和變形速率來分析巷道圍巖加固方案的合理性。巷道變形數(shù)據(jù)每3 d觀測(cè)一次，巷道位移曲線如圖4。

由圖4可知，巷道頂板和兩幫變形特征基本一致，均表現(xiàn)為初期巷道變形速率較大，隨后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。特別是在巷道設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)后的前20 d內(nèi)，巷道支護(hù)和注漿加固都沒有完成，巷道變形較大，變形速率快，當(dāng)支護(hù)完成并且展開巷道圍巖注漿加固后，巷道的變形速率明顯減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。最后巷道頂板下沉量穩(wěn)定在84.5 mm，兩幫移近量約為57.8 mm。綜上可知，15303回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面揭露斷層后所設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)參數(shù)和破碎煤巖體注漿加固起到了較好效果。

圖4 巷道變形特征曲線

4 結(jié)論

（1）針對(duì)15303回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面過斷層，設(shè)計(jì)了巷道圍巖加固方案。通過采用先補(bǔ)打錨桿索控制圍巖變形，再通過注漿加固從根本上解決斷層影響下煤巖體破碎穩(wěn)定性差的聯(lián)合方案。

（2）根據(jù)2號(hào)觀測(cè)站的巷道變形數(shù)據(jù)分析可知，巷道加固方案實(shí)施前巷道變形量大，變形速率快。方案實(shí)施后，巷道變形速率明顯減小，其中頂板下沉量穩(wěn)定在84.5 mm，兩幫變形量為57.8 mm。