巷道掘進過交互斷層冒頂處理實踐

牛華雷

（1.太原理工大學礦業(yè)工程學院，山西 太原030024；2.潞安集團余吾煤業(yè)公司，山西 長治046100）

巷道掘進過程中，頂板若未及時支護，則容易造成頂板彎曲、掉渣和冒漏，嚴重時會造成掘進停滯，甚至安全事故。資料顯示，我國頂板事故約占總事故數(shù)的40%左右，而巷道掘進過程中的頂板事故約占總事故數(shù)的20%左右〔1〕。斷層作為巷道掘進過程中常見的地質(zhì)構(gòu)造，在其形成過程中常伴隨著能量釋放，故斷層附近圍巖較破碎。當掘進穿過斷層帶或經(jīng)過斷層帶附近時，往往會因頂板破碎程度較高而造成掘進冒頂事故〔2－4〕。實踐發(fā)現(xiàn)，掘進巷道在斷層附近的冒頂較難處理，若處理不當甚至會擴大冒頂事故影響范圍。因此，分析研究掘進過斷層時冒頂事故的預防和處理對于提高安全生產(chǎn)水平和保護職工安全具有重要的意義。

1 巷道工程概況

山西某礦設計能力為1.2Mt／a，其31501工作面為西翼采區(qū)首采工作面，所采煤層為15＃煤層，煤層厚度為1.7～4.3m，平均為3.2m；煤層傾角為24°～42°，平均傾角為37°；工作面埋深為646～652m，平均為648m。該工作面設計走向和傾向長度分別為680m和120m，工作面頂?shù)装寰鶠槟鄮r～砂質(zhì)泥巖～粗粒砂巖，巷道斷面設計為矩形，凈斷面尺寸為3600mm×2800mm，巷道掘進方式為炮掘。巷道支護形式為“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護，巷頂和巷幫均采用Φ22mm×2200mm的無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm；巷頂采用Φ18.9mm×6300mm的小直徑預應力錨索，錨索單列布置，排距為1600mm。工作面回風巷在掘進過程中共揭露4條斷層，即F1、F2、F3和F4，4條斷層均為正斷層，落差范圍在2～4.5m，其中F2和F3為交錯斷層，在掘進過程中在F2和F3斷層中出現(xiàn)冒頂，冒頂尺寸（高×長）為（1～3m）×4m，冒落形狀近似漏斗狀，且隨著掘進有加劇趨勢。

2 巷道冒頂原因分析

1）斷層是引起冒頂?shù)闹饕蛩兀現(xiàn)2和F3斷層相互交錯，致使兩斷層影響范圍內(nèi)的巷道圍巖較破碎，應力集中現(xiàn)象較明顯；巷道頂?shù)装鍘r層為泥巖～砂質(zhì)泥巖～粗粒砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，遇水后圍巖松軟膨脹，巷道原巖平衡結(jié)構(gòu)遭到破壞，巖層自承載能力、抗拉和抗剪強度大幅度降低，促使頂板冒落現(xiàn)象發(fā)生；巷道掘進工程擾動進一步加劇斷層附近圍巖的破碎和冒落，31501工作面回風巷采用放炮掘進，破巖震動強度較大，容易誘發(fā)斷層附近不穩(wěn)定圍巖出現(xiàn)大面積垮落。

2）煤層賦存狀態(tài)對頂板穩(wěn)定性影響較大。31501工作面所采煤層厚度為1.7～4.3m，煤層傾角為24°～42°，埋深為646～652m?？芍?，該工作面煤層厚度變化較大，煤層傾角較大，且平均采深超過640m，整體屬于較深水平開采的急傾斜工作面。這樣的工作面巷道圍巖應力較高，但自穩(wěn)和自承載能力較弱，巷道支護和維護較難，易造成冒頂〔5〕。

3）支護滯后和不善也是引起巷道冒頂?shù)闹饕?。巷道掘進破巖后，頂板巖層遭到擾動和破壞，淺部巖層出現(xiàn)與深部巖層黏聚性差或者無聯(lián)系的巖塊，此時若不給予及時支護或者支護不善往往會造成頂板巖塊的冒落。在斷層帶附近，頂板巖層往往較破碎，若支護滯后則易出現(xiàn)冒頂；巷道支護不合理往往會因放炮擾動造成支護失效，進而出現(xiàn)冒頂。

3 冒頂處理方案及實施

3.1 施工方案的確定

31501工作面風巷在掘進過程中受到F2和F3交互斷層的影響，出現(xiàn)了一定范圍的冒頂。為了處理冒頂區(qū)域和預防冒頂范圍的進一步擴大，經(jīng)研究分析后決定在冒頂區(qū)域注入聚乙烯封堵劑對空頂進行填實，防止空頂裸露和有害氣體積聚；在冒頂區(qū)域附近注入馬麗散進行頂板化學注漿加固，將冒頂區(qū)域及附近的破碎圍巖膠結(jié)為一個整體，提高巷道的完整性和自承載能力。

馬麗散是一種低黏度聚亞胺膠脂材料，是由樹脂和催化劑按照1∶1混合后生成具有高膨脹率和高抗壓性的惰性泡沫。馬麗散被廣泛應用于頂板加固和堵水，具有很好的機械性能，被注入破碎巖層內(nèi)后，低黏度液體化合物經(jīng)幾秒后即可滲入巖層裂隙巖層緊密黏合，從而達到巖層加固和裂隙密封的作用〔6〕?？紤]到馬麗散具有高黏合能力、強機械性能并且具有良好的柔韌性，決定將其應用到31501工作面回風巷斷層破碎帶的加固作業(yè)中。

3.2 注漿加固工藝的實施

3.2.1 鉆孔的布置

利用馬麗散對冒頂區(qū)域上方和冒頂前方5～7m范圍內(nèi)的破碎巖體進行加固。布孔：沿巷道走向方向在冒頂區(qū)域布置12個42mm鉆孔，鉆孔呈兩列六排布置，間排距為1200mm×1500mm，鉆孔仰角為45°，孔深5～12m不等。在圍巖破碎嚴重地帶，根據(jù)實際情況可以增加鉆孔，優(yōu)化鉆孔角度和深度；對于裂隙發(fā)育地帶，可以根據(jù)注漿效果適當增加注漿量，原則上每孔注漿量不超過0.3t。馬麗散加固巷道圍巖之后，采用小循環(huán)掘進緩慢通過冒頂區(qū)域。在冒頂區(qū)域的空頂范圍內(nèi)下方垂直頂板打設鉆孔，鉆孔以超過通過馬麗散加固后形成的再生頂板為準；鉆孔分別距離冒頂孔口1.0m、2.0m、3.0m和4.0m，鉆孔采用主副孔布置，每組鉆孔各含有一個主鉆孔和三個副鉆孔，主孔以封堵空頂區(qū)為主，副孔兼有封堵空頂區(qū)和密封加固作用；由于該冒頂形狀呈現(xiàn)漏斗形，冒頂區(qū)域范圍內(nèi)冒頂深度相差較大，故鉆孔的深度應以實際情況進行調(diào)整；鉆孔完畢后注入聚乙烯封堵劑對冒頂區(qū)域空頂區(qū)進行封堵。

3.2.2 注漿工藝

① 采用馬麗散進行破碎頂板加固，注漿設備采用小型多功能氣動注漿泵，注漿壓力為5～8MPa。依據(jù)設計進行注漿孔施工，施工結(jié)束后穿入注漿孔；連接注漿槍和注漿泵后，檢查泵、管路和閥門等是夠正常；設備檢查完畢后，將吸料管插入馬麗散樹脂桶和催化劑桶通過馬達將兩種液體經(jīng)活塞進入吸料管，然后輸送至注射槍內(nèi)；馬麗散樹脂與催化劑在注射槍內(nèi)以體積比1∶1混合后注入破碎巖層，混合物在破碎巖層內(nèi)沿裂隙滲透，經(jīng)過極短時間兩種液體發(fā)生反應，將破碎圍巖巖塊黏合在一起。待破碎圍巖出現(xiàn)嚴重漏漿方可進行下一鉆孔的注漿，對于圍巖及其破碎的地帶可以采用間歇式往復注漿，直到注漿效果滿足黏合破碎圍巖為止。馬麗散注漿加固巖層施工工藝系統(tǒng)布置見圖1。

② 在利用馬麗散對冒頂區(qū)域破碎巖層進行加固后，采用聚乙烯封堵劑對冒頂區(qū)域的空間區(qū)進行填充。為了提高設備利用率，采用多功能氣動注漿泵配合壓風管、出漿管等對空頂區(qū)鉆孔進行注漿。設計接入風壓為0.5～0.6 MPa，注漿壓力控制在3.0～4.0MPa，待圍巖巖壁和頂板出現(xiàn)嚴重漏漿或者注漿壓力明顯升高方可進行下一鉆孔的注漿。

圖1 馬麗散注漿加固破碎圍巖施工工藝示意

4 冒頂處理效果

31501工作面回風巷F2和F3交錯斷層影響范圍內(nèi)頂板冒落區(qū)域共打設17個鉆孔，消耗馬麗散和聚乙烯分別為3.6t和2.0t。通過注漿進行圍巖加固和空頂區(qū)填充，冒頂區(qū)破碎巖層形成了強度較高的統(tǒng)一整體，為掘進施工通過斷層帶和冒頂區(qū)提供了有力保證。對加固填充區(qū)采用鉆孔窺視和“十字測量法”觀測加固效果和圍巖變形情況。在實施注漿加固2天后，對巷道頂板進行鉆孔窺視，發(fā)現(xiàn)馬麗散沿裂隙滲透較均勻，馬麗散樹脂和催化劑反應后能夠?qū)⑵扑閹r體膠結(jié)在一起，有效地提高了巖層強度和自承載能力；聚乙烯封堵劑基本將空頂區(qū)完全填充，注漿效果較好，為巷道掘進提供了有力保證。巷道變形觀測結(jié)果表明，加固后的巷道變形較小，頂板下沉量和底鼓量僅為25mm和45mm，兩幫移近量不超過60mm，巷道變形對行人、運輸和通風影響基本可以忽略。

注漿加固和填充技術在31501工作面的冒頂區(qū)域的成功應用，為斷層尤其是交互斷層引起的冒頂治理提供了新的技術途徑。

〔1〕李愛昌 .煤礦掘進工作面常見冒頂事故的原因及防治措施〔J〕.采礦技術，2003，3（3）：42－43.

〔2〕劉洪林，柏建彪，馬述起，等 .斷層破碎頂板冒頂巷道修復技術研究〔J〕.煤炭工程，2011，（4）：76－78.

〔3〕齊 干，唐強達 .旗山礦深部斷層冒落巷道修復技術研究〔J〕.煤炭工程，2009，（7）：67－69.

〔4〕張 旭 .掘進巷道冒頂事故的原因及防治措施〔J〕.山西能源與節(jié)能，2009，（4）：32－33.

〔5〕蓋增雪 .煤礦掘進工作面冒頂事故的預防及處理技術〔J〕.河北煤炭，2011，8（3）：19－20.

〔6〕高新亞 .馬麗散加固技術在巷道過大斷層處理冒頂?shù)膽谩睯〕.煤礦現(xiàn)代化，2010，（6）：123－126.