雙巷掘進(jìn)工作面過斷層注漿技術(shù)應(yīng)用研究

耿 峰

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)興峪煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 盂縣 045100）

1 工程概況

陽煤集團(tuán)的興峪煤礦屬于高瓦斯礦井，開采的15#煤層為簡單結(jié)構(gòu)煤層，傾角0～15°，平均5°，煤層厚6.55～7.0m，平均厚6.94m，一般含矸2層，煤層中下部夾矸厚度為0.1m，下部夾矸厚度0.05m。其15#煤層的15501綜放工作面目前處于準(zhǔn)備階段，工作面地表位于畢溝村西南一帶，蓋山厚度227～424m；井下位于五采區(qū)南部，東部為擴(kuò)區(qū)準(zhǔn)備大巷，南部、北部為實(shí)體煤田，西部與礦界相距20m。

在15501回風(fēng)順槽和15503運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過程中，由于斷層影響，遇到巷道頂板煤體破碎，支護(hù)困難等一系列問題，威脅掘進(jìn)工作面施工人員的安全，用原有的支護(hù)手段工作效率較低，影響巷道施工的正常工期，阻礙了煤礦生產(chǎn)。

2 斷層區(qū)域巷道圍巖破碎情況分析

（1）現(xiàn)場破壞情況

如圖1所示，當(dāng)巷道掘進(jìn)至距離15501回風(fēng)順槽開口處550m的C6點(diǎn)時(shí)，巷道頂板發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的冒頂現(xiàn)象，最大冒落高度達(dá)到6m。巷道中間的保護(hù)煤柱也出現(xiàn)片幫，煤壁的中上部有略微的片幫，煤體破壞深度較淺，深部煤體完整。巷道兩幫移進(jìn)量過大，變形量最大為1.1m，局部出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，鼓起高度平均為25cm，最大可達(dá)50cm。由于巷道頂板煤體過于破碎，最初的錨桿基本已經(jīng)全部失效，兩幫的錨桿仍然有效。相鄰的15503運(yùn)輸順槽頂板也出現(xiàn)小范圍內(nèi)的頂板煤體破碎冒落的情況，實(shí)體煤壁與煤柱出現(xiàn)煤體向巷道內(nèi)鼓起的現(xiàn)象。底板未出現(xiàn)大的形變。頂板部分錨桿出現(xiàn)滑落，有兜網(wǎng)現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)錨索失效，巷幫部分錨桿失效。

（2）圍巖破壞數(shù)值模擬分析

根據(jù)掘進(jìn)工作面的地質(zhì)狀況，應(yīng)用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC進(jìn)行模擬分析，模型高度為100m，長度為300m，模型左右兩側(cè)為固定邊界，底部在垂直方向上固定，上部為自由邊界[1]。

圖1 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)工作面破壞情況圖

巷道掘進(jìn)過程中，由于斷層與巷道相對位置的不同，巷道可能是由斷層的下盤逐漸靠近斷裂面，也可能是由上盤逐漸靠近斷層面，不同的位置關(guān)系對于巷道掘進(jìn)有著不同的影響。無論巷道要穿過哪種結(jié)構(gòu)的斷層，巷道的采掘總是要破壞煤巖體原有的平衡狀態(tài)。巷道由斷層的下盤進(jìn)入上盤時(shí)，頂板巖層會(huì)隨著工作面的推進(jìn)不斷地向工作面后方翻轉(zhuǎn)、下沉，斷層下盤下煤柱越來越窄，導(dǎo)致煤體對于巖層的支承能力減弱，巷道頂板破碎，很難取得平衡，導(dǎo)致冒頂?shù)仁鹿省Ｏ锏谰蜻M(jìn)從斷層的上盤進(jìn)入下盤，隨著掘進(jìn)工作面推進(jìn)，斷層面的正應(yīng)力增大，導(dǎo)致斷層上下盤的相對位移，巷道發(fā)生過度的變形?？傊谙锏谰蜻M(jìn)通過斷層區(qū)域時(shí)，當(dāng)巷道圍巖內(nèi)的應(yīng)力分布導(dǎo)致一些煤巖體內(nèi)部的應(yīng)力大于巖體強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在巷道圍巖內(nèi)形成塑性區(qū)，塑性區(qū)過大就會(huì)導(dǎo)致巷道失穩(wěn)，圍巖破壞。因此數(shù)值模擬的重要作用就是觀察巷道掘進(jìn)過程中，圍巖內(nèi)裂隙發(fā)育的情況，對研究巷道變形的特征以及巷道的穩(wěn)定性控制具有重要意義。通過數(shù)值模擬結(jié)果，在斷層附近15501回風(fēng)順槽及15503運(yùn)輸順槽的圍巖內(nèi)塑性區(qū)的分布如圖2所示。

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)分布模擬結(jié)果示意圖

由數(shù)值模擬結(jié)果可以得出，在巷道掘進(jìn)過程中兩個(gè)巷道圍巖內(nèi)均出現(xiàn)較大的塑性區(qū)。15503運(yùn)輸順槽內(nèi)圍巖的破碎更為嚴(yán)重，巷道的頂板塑性區(qū)擴(kuò)展最大，兩個(gè)巷道在煤柱側(cè)的塑性區(qū)均大于實(shí)體煤壁側(cè)，但是并未貫通，區(qū)段保護(hù)煤柱仍然是穩(wěn)定的，具有承載能力。底板塑性區(qū)范圍較小，兩個(gè)巷道破壞情況基本相同，頂板較完整。

根據(jù)以往巷道采掘的經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果可知，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下形成斷層的過程中形成斷層破碎帶，巷道掘進(jìn)時(shí)對圍巖進(jìn)行的二次擾動(dòng)，使斷層失穩(wěn)、圍巖進(jìn)一步破碎，對巷道的支護(hù)產(chǎn)生重大難題。經(jīng)過以上分析可知，掘進(jìn)工作面圍巖破碎主要為頂部圍巖的破碎，斷層區(qū)域可通過注漿加固提高巷道圍巖的整體性，保證掘進(jìn)工藝的順利進(jìn)展[2]。

3 掘進(jìn)注漿工藝

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)在掘進(jìn)面超前注漿加固巷道頂板及兩幫，多循環(huán)小進(jìn)尺，在形成錨桿支護(hù)的作業(yè)空間后，再進(jìn)行常規(guī)的錨桿永久支護(hù)[3]。

圖3 超前注漿鉆孔布置示意圖

為了防止注漿過程中漿液的流失，注漿前在掘進(jìn)工作面迎頭處及掘進(jìn)工作面周圍進(jìn)行噴漿處理，噴砼厚度100mm。在進(jìn)行噴漿前應(yīng)當(dāng)完成超前注漿孔的布設(shè)，其在巷道掘進(jìn)面的布置示意圖如圖3所示。注漿固結(jié)采用水泥水玻璃雙液漿，水灰比在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行注漿試驗(yàn)確定為0.6:1，S:C為0.01:1，注漿管為鐵管，總長度5.5m，直徑為45.0mm，其形式如圖4所示。每個(gè)斷面內(nèi)一共設(shè)置18個(gè)注漿孔，在巷道頂部位置布置兩排注漿孔，向上傾斜20°從而達(dá)到對頂板破碎煤體加固的目的。在巷道中部布置兩排水平正向的鉆孔，對前方煤體進(jìn)行注漿，在兩側(cè)分別布置兩排間距為150mm的注漿孔，向兩側(cè)分別傾斜15°、20°從而達(dá)到對兩幫加固的目的。注漿所選的漿液為水泥水玻璃雙漿液，水灰比為0.6:1，S:C為0.01:1，材料選用425#普通硅酸鹽水泥，40波美度的水玻璃。由于煤巖體較為破碎，根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)將注漿壓力定為3.0MPa，注漿泵選用2ZBQ50/19型礦用氣動(dòng)注漿泵。每次注漿的超前范圍為5m，為了防止迎頭處冒頂、煤壁片幫等的發(fā)生，每次掘進(jìn)工作面可根據(jù)實(shí)際情況推進(jìn)4.0～4.5m，進(jìn)行錨桿永久支護(hù)后，進(jìn)入到下個(gè)階段的施工。

圖4 注漿管結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

4 礦壓觀測結(jié)果及分析

為了考察巷道支護(hù)效果，在15503運(yùn)輸順槽內(nèi)設(shè)計(jì)布置了巷道位移監(jiān)測點(diǎn)，所得數(shù)據(jù)整理結(jié)果如圖5所示。巷道的變形量隨著成巷時(shí)間的增加逐漸增大，在巷道形成的20d內(nèi)，頂板及兩幫變形量快速增加，成巷20d以后巷道頂板及兩幫的位移量穩(wěn)定在200mm以下，基本不再變形，巷道掘進(jìn)過程中也未出現(xiàn)迎頭處冒頂、煤壁片幫等問題。

圖5 巷道位移監(jiān)測曲線

以上結(jié)果表明，掘進(jìn)過斷層采用的“超前注漿加固+錨桿支護(hù)+小進(jìn)尺多循環(huán)掘進(jìn)”能夠安全快速順利通過斷層地段，巷道錨桿支護(hù)體系有效地維持了巷道的穩(wěn)定性，確保了工作面準(zhǔn)備的正常進(jìn)行。