長(zhǎng)平公司二盤區(qū)膠輪車大巷過斷層圍巖控制技術(shù)研究

王三紅

（晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平公司，山西 晉城 048400）

1 工程概況

晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平公司目前主采3#煤，3#煤層厚5.62m，中間有0.23m的夾矸，垂直節(jié)理發(fā)育，條帶狀結(jié)構(gòu)，夾矸為泥巖煤層傾角4～7°，平均5°，屬近水平煤層。目前由該礦礦建五隊(duì)進(jìn)行二盤區(qū)膠輪車大巷的掘進(jìn)作業(yè)，巷道凈寬5.4m，凈高3.8m，采用高強(qiáng)度錨桿、W鋼護(hù)板、錨索、金屬網(wǎng)、聯(lián)合支護(hù)。巷道掘進(jìn)到45m處時(shí)，巷道揭露斷層擴(kuò)SF32正斷層延伸段，該斷層走向54°，傾向144°，傾角85°，斷距12m。該斷層對(duì)掘進(jìn)作業(yè)影響程度極大。

2 圍巖破壞特征分析

2.1 斷層圍巖的數(shù)值模擬

根據(jù)長(zhǎng)平公司二盤區(qū)膠輪車大巷上覆巖層的物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)借鑒類似情況掘進(jìn)工作面過斷層的經(jīng)驗(yàn)[1-2]，通過Flac3D軟件建立二盤區(qū)膠輪車大巷連續(xù)掘進(jìn)模型研究斷層對(duì)二盤區(qū)膠輪車大巷掘進(jìn)過程中圍巖變形破壞特性的影響，二盤區(qū)膠輪車大巷設(shè)計(jì)斷面形狀為半圓拱形，巷道設(shè)計(jì)凈寬5.4m，凈高3.8m。建立的模型高為50m，寬為50m，長(zhǎng)為70m，且在模型底部邊界及四周施加位移約束，模型上覆施加的載荷為。

2.2 推進(jìn)方案

數(shù)值模擬中二盤區(qū)膠輪車大巷掘進(jìn)工作面分3步開挖60m。第一步掘進(jìn)工作面開挖15m，距SF32斷層約15m；第二步掘進(jìn)工作面開挖30m，此時(shí)掘進(jìn)工作面到達(dá)斷層處；第三步掘進(jìn)工作面開挖60m，此時(shí)掘進(jìn)工作面推過斷層約18m。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模型的初始應(yīng)力平衡后，分3個(gè)階段對(duì)模型開挖，模擬巷道通過斷層前，通過斷層時(shí)及通過斷層后的圍巖塑性區(qū)分布特征和應(yīng)力變化特征。

圖1 掘進(jìn)工作面開挖15m時(shí)圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖

掘進(jìn)工作面開挖15m時(shí)圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖如圖1所示，此時(shí)巷道距SF32斷層還有15m。觀察圖1（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了應(yīng)力集中系數(shù)為1.25的水平應(yīng)力集中區(qū)；在巷道兩幫出現(xiàn)了應(yīng)力集中系數(shù)為1.63的垂直應(yīng)力集中區(qū)。在此應(yīng)力影響下，巷道產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)域如圖1（c）所示，如圖所示頂板的塑性區(qū)范圍約1m，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍的最大值約2m，底板的塑性區(qū)范圍約1.5m。在這一階段，巷道的圍巖活動(dòng)不受到斷層破碎帶的影響，即巷道處于SF32斷層的影響范圍外。

圖2 為掘進(jìn)工作面開挖30m遭遇SF32斷層時(shí)圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖。觀察圖2（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)受斷層影響，巷道頂板的水平應(yīng)力集中區(qū)范圍明顯擴(kuò)大且應(yīng)力集中系數(shù)升高到1.46，但是巷道兩幫的垂直應(yīng)力集中區(qū)消失，即巷道不存在垂直應(yīng)力。觀察圖2（c）發(fā)現(xiàn)巷道在揭露SF32斷層時(shí)，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍增加至6m左右，巷道底板破壞嚴(yán)重，底板的塑性區(qū)范圍增大至4m。因此在巷道掘進(jìn)通過SF32斷層時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，以保證巷道的正常安全掘進(jìn)。

掘進(jìn)工作面開挖60m時(shí)圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖如圖3所示，此時(shí)巷道掘進(jìn)面推過SF32斷層約18m。觀察圖3（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)工作面在推過斷層后，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且距離斷層越遠(yuǎn)，巷道所受垂直應(yīng)力越大，在斷層中間的位置上所受垂直應(yīng)力較小。掘進(jìn)工作面推過斷層后，巷道塑性區(qū)范圍與開挖15m時(shí)基本相同，巷道圍巖活動(dòng)只受掘進(jìn)影響。

綜上，巷道掘進(jìn)工作面在接露SF32斷層時(shí)破碎帶附近時(shí)，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍增加至6m左右，約為未遭遇斷層時(shí)的3倍；巷道底板破壞嚴(yán)重且底板的塑性區(qū)范圍增大至4m，約為未遭遇斷層時(shí)的2.6倍。因此在巷道掘進(jìn)通過SF32斷層時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)來控制圍巖變形，以保證巷道的正常安全掘進(jìn)。

圖3 掘進(jìn)工作面開挖60m時(shí)圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖

3 過斷層圍巖控制技術(shù)及效果

二盤區(qū)膠輪車大巷掘進(jìn)過斷層時(shí)，受SF32斷層破碎帶的影響，需要進(jìn)行巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。初步設(shè)計(jì)為超前注漿加固巷道圍巖，再套拱形棚補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)，并補(bǔ)充原基礎(chǔ)支護(hù)的圍巖控制措施。

3.1 超前注漿加固[3]

在二盤區(qū)膠輪車大巷巷道掘進(jìn)超前注漿的施工中，注漿漿液選取該礦應(yīng)用過的材料及配比，考慮錨桿排距及注漿加固后架設(shè)U型棚的排拒，設(shè)計(jì)注漿孔的排拒為1600m，深度為5500mm，并且在布置注漿孔時(shí)應(yīng)使兩個(gè)注漿孔內(nèi)注漿時(shí)，漿液的滲透距離有一定的重疊。具體注漿孔的布置如圖4所示?？紤]到巷道日掘進(jìn)量為4m，斷層斷距12m，因此設(shè)計(jì)超前注漿加固的范圍為5m，注漿加固的總長(zhǎng)度為15m。超前注漿在巷道安全通過斷層后即停止施工。

圖4 巷道超前注漿注漿孔布置示意圖

根據(jù)二盤區(qū)膠輪車大巷超前注漿過SF32斷層現(xiàn)場(chǎng)施工情況，綜合考慮實(shí)際影響因素，選用長(zhǎng)5000mm，外徑為40mm，內(nèi)徑為36mm的注漿管，每根注漿管端頭安裝一個(gè)球形閥用于連接注漿管路并控制漿液進(jìn)出注漿管，注漿管端頭1500mm后布置6個(gè)孔徑為10mm的鉆孔?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用錨桿鉆機(jī)進(jìn)行注漿孔的鉆孔施工，注漿孔的孔口用棉紗及樹脂錨固劑進(jìn)行封孔。巷道超前注漿的工藝流程為：①注漿材料的準(zhǔn)備：將注漿泵、潤(rùn)滑油、高壓軟管、U形卡、球閥、三通、注漿材料等運(yùn)送至注漿施工地點(diǎn)，并檢查注漿泵能否正常工作。②連接高壓軟管與注漿泵：將吸液管與注漿泵連接后，分別放入相應(yīng)的漿液中，將高壓軟管與注漿泵連接，并將管路鋪送至注漿孔附近。③檢查球閥：檢查注漿管端頭球閥和三通處的球閥是否完好。④準(zhǔn)備注漿：將三通與注漿管連接，開啟球閥后啟動(dòng)注漿泵進(jìn)行注漿作業(yè)。⑤清洗管路：每個(gè)注漿孔注漿完成后，為防止?jié){液在管路內(nèi)凝固堵死，將吸液管放入清水中，開啟注漿泵，清洗管路內(nèi)的漿液，高壓軟管另一端沖出清水后關(guān)閉注漿泵。⑥注漿過程中要觀察漿泵的壓力及注漿孔周圍的漏漿情況，及時(shí)進(jìn)行封堵，現(xiàn)場(chǎng)施工中發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整，記錄注漿過程中每個(gè)注漿孔的材料消耗量。

3.2 套拱形棚補(bǔ)強(qiáng)

待巷道超前注漿加固穩(wěn)定后，進(jìn)行巷道過斷層的掘進(jìn)作業(yè)，并套拱形棚補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)來保證巷道掘進(jìn)順利的通過SF32斷層，需要套拱形棚補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)的長(zhǎng)度為15m。具體工藝流程為：架設(shè)臨時(shí)支護(hù)后進(jìn)行敲幫問頂，確認(rèn)安全后4人同時(shí)挖柱窩，并平整柱窩，隨后將拱形棚的棚腿豎起并用雙股的10號(hào)鐵絲進(jìn)行固定；將拱形棚抬入工作面，將拱形棚的腿和拱形棚的梁扣合固定，用拉桿聯(lián)鎖棚腿及棚梁從而穩(wěn)固頂梁。為了保證拱形棚的穩(wěn)定性，須用雙股10號(hào)鐵絲將頂網(wǎng)與棚梁相連。背板、板梁間距為1.5m（背頂時(shí)，距巷道中心線550mm處開始進(jìn)行背頂，即巷道中心線兩側(cè)各兩處；背幫時(shí)，從底板向上500mm處開始進(jìn)行背幫，每幫背3處，間距1.5m），誤差不超過200mm?，F(xiàn)場(chǎng)施工過程中，若采用頂四幫三無法將棚背緊、背實(shí)，則在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾酉鄳?yīng)數(shù)量的板梁及背板將棚背實(shí)。

3.3 圍巖控制效果

二盤區(qū)膠輪車大巷掘進(jìn)過SF32斷層時(shí)采用超前注漿加固巷道圍巖，再套拱形棚補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)，并補(bǔ)充原基礎(chǔ)支護(hù)的圍巖控制措施后，順利通過該斷層，并且在過斷層后對(duì)斷層中部巷道的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果如圖5所示。

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)：在巷道通過SF32斷層20天內(nèi)，斷層中部巷道圍巖表面位移量增勢(shì)較猛，過斷層20天后逐漸放緩并趨于穩(wěn)定。巷道趨于穩(wěn)定后，最終兩幫移近量約150mm，頂?shù)装逡平考s190mm，巷道的變形量控制在允許范圍內(nèi)，表明圍巖控制效果良好。在巷道剛通過斷層時(shí)巷道兩幫移近速度約為12mm/d，頂?shù)装逡平俾蕿?5mm/d，隨時(shí)間的推移，巷道圍巖的變形速率逐漸減小，在兩個(gè)月左右時(shí)穩(wěn)定在0.1mm/d，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

1）通過Flac3D軟件建立二盤區(qū)膠輪車大巷連續(xù)掘進(jìn)模型研究斷層該大巷掘進(jìn)過程中圍巖變形破壞特性的影響發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)工作面在接露SF32斷層時(shí)破碎帶附近時(shí)，巷道底板破壞范圍約為未遭遇斷層時(shí)的2.6倍；巷道兩幫的塑性區(qū)范圍約為未遭遇斷層時(shí)的3倍且頂板破壞范圍較大。

2）在采取超前注漿加固巷道圍巖，再套拱形棚補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)，并補(bǔ)充原基礎(chǔ)支護(hù)的圍巖控制措施后，掘進(jìn)工作面順利通過SF32斷層，并且巷道在通過斷層并趨于穩(wěn)定后，最終的巷道變形量控制在允許范圍內(nèi)，保證了掘進(jìn)工作面順利通過斷層及后期工作面安全高效的回采。