辛置煤礦2-208工作面斷層破碎帶區(qū)域圍巖控制技術(shù)研究

伊軍榮

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦2-208綜采工作面位于2#煤層二采區(qū)，所采2#煤層厚度3.8～4.3m，均厚4.1m，平均傾角為4°。煤層穩(wěn)定可采，含兩層夾矸，第二層夾矸層厚度稍大。煤層直接頂為泥巖，均厚3.0m，基本頂為K8中細(xì)砂巖，均厚7.2m，直接底為泥巖，均厚4.5m，基本底為中砂巖，均厚6.5m。

2-208工作面北面緊鄰二采區(qū)軌道巷、皮帶巷，南面距離二采區(qū)右翼皮帶巷110m，西面距離二采區(qū)回風(fēng)巷25m，東面距離2-202工作面采空區(qū)最小間距為63m。根據(jù)相鄰的2-202工作面回采期間構(gòu)造揭露情況分析，預(yù)計(jì)工作面范圍內(nèi)NE-SW走向斷層延伸距離較長(zhǎng)，2-208工作面范圍內(nèi)F1162斷層與F1164斷層走向基本一致，預(yù)計(jì)為1條斷層延伸所致，橫穿工作面，預(yù)計(jì)在工作面內(nèi)延伸約320m，對(duì)回采影響較大，所以需對(duì)工作面過(guò)斷層區(qū)域的圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究。

2 斷層破碎帶圍巖變形分析

由于斷層破碎帶區(qū)域煤巖體的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征較為復(fù)雜，為全面了解斷層區(qū)域的變形破壞及動(dòng)力失穩(wěn)機(jī)理，采用數(shù)值模擬的方式，具體研究工作面推過(guò)斷層破碎帶區(qū)域的結(jié)構(gòu)力學(xué)演化規(guī)律和圍巖失穩(wěn)過(guò)程。采用FLAC3D建立數(shù)值模擬模型長(zhǎng)×寬×高=473m×5m×154.5m，根據(jù)2-208工作面的埋深，在上覆巖層施加3.5MPa的垂直載荷，約束模型兩側(cè)及底板的位移。

在數(shù)值模擬模型中斷層破碎帶區(qū)域布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為A、B、C，三個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于斷層區(qū)域工作面上方65m、8m和工作面下方8m。在工作面推過(guò)斷層區(qū)域時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)該三點(diǎn)的位移及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究。具體測(cè)點(diǎn)布置方式如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型中測(cè)點(diǎn)布置示意圖

（1）剪切應(yīng)力分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出工作面推過(guò)斷層區(qū)域時(shí)剪切應(yīng)力的分布情況，如圖2所示。

分析圖2可知，三個(gè)測(cè)點(diǎn)的剪切應(yīng)力在距離工作面斷層90m后出現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，A、B、C測(cè)點(diǎn)的剪切應(yīng)力的峰值分別為3.0MPa、2.04MPa和2.18MPa，B測(cè)點(diǎn)的剪切峰值在工作面距斷層中心線10m處取得，C測(cè)點(diǎn)的剪切峰值在工作面距離斷層20m的位置處取得。在工作面回采通過(guò)斷層下盤時(shí)，剪切應(yīng)力的變化與工作面推進(jìn)通過(guò)上盤時(shí)的變化存在明顯的差異性[1-2]，A測(cè)點(diǎn)在工作面距離斷層70m的位置處開始出現(xiàn)變化，剪切應(yīng)力的峰值為1.31MPa，B測(cè)點(diǎn)剪切應(yīng)力的峰值為0.8MPa。測(cè)點(diǎn)在距離斷層中線100～30m的區(qū)域，剪切應(yīng)力均為正值，當(dāng)工作面進(jìn)入斷層時(shí)剪切應(yīng)力出現(xiàn)先增大后迅速減小的趨勢(shì)，C測(cè)點(diǎn)剪切應(yīng)力變化不大，剪切應(yīng)力值在-0.5～0.5MPa的范圍內(nèi)，在工作面推到斷層中線時(shí)應(yīng)力會(huì)逐漸釋放為零。

（2）工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度時(shí)圍巖塑性區(qū)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出工作面在由上盤推進(jìn)至斷層邊緣、推進(jìn)至斷層內(nèi)部、工作面推進(jìn)出斷層、工作面推進(jìn)出斷層下盤塑性區(qū)的分布規(guī)律，如圖3所示。

圖3 工作面推進(jìn)通過(guò)斷層區(qū)域時(shí)塑性區(qū)發(fā)育圖

分析圖3可知，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，圍巖塑性區(qū)的發(fā)育范圍在逐漸增大，在工作面推進(jìn)到斷層區(qū)域時(shí)，斷層區(qū)域頂板塑性區(qū)的發(fā)育范圍明顯大于非斷層區(qū)域時(shí)頂板塑性區(qū)的發(fā)育范圍，在工作面回采通過(guò)下部斷層區(qū)域時(shí)，整個(gè)工作面已經(jīng)達(dá)到充分采動(dòng)的狀態(tài)，此時(shí)工作面頂板塑性的發(fā)育呈現(xiàn)出明顯的馬鞍形分布，頂板塑性區(qū)發(fā)育的最小高度為64m，最大高度為89m。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)2-208工作面斷層區(qū)域的具體特征，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定工作面過(guò)斷層區(qū)域時(shí)采用注漿加固+采煤工藝參數(shù)調(diào)整相結(jié)合的方式，技術(shù)措施如下：

（1）注漿加固設(shè)計(jì)

當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層區(qū)域時(shí)，需提前對(duì)工作面失穩(wěn)的區(qū)域進(jìn)行充填絞頂作業(yè)，絞頂采用的材料主要為鋼管和鐵網(wǎng)。在進(jìn)行絞頂作業(yè)時(shí)，設(shè)置假頂嵌入到頂板堅(jiān)硬的中細(xì)砂巖中[3-4]，鋼管嵌入的角度為20°，鋼管間的中心距為200mm，鋼管的架設(shè)長(zhǎng)度為21m。在斷層的上盤空間區(qū)域，鋼管絞頂延伸到冒頂區(qū)域下方邊緣水平距離5m的位置處。具體充填空洞的方式如圖4所示。

圖4 充填空洞區(qū)域絞頂示意圖

本次注漿加固作業(yè)，在工作面區(qū)域設(shè)置注漿鉆孔的間排距均為1m，注漿材料采用水泥—水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰比為0.5，水玻璃采用模數(shù)為3.5，注漿的壓力控制在1～2MPa，鉆孔直徑為42mm，長(zhǎng)度為4.0m，注漿鉆孔封孔長(zhǎng)度為0.5m，封孔材料采用簡(jiǎn)易的麻繩+錨固劑進(jìn)行封孔作業(yè)。具體注漿鉆孔的布置方式如圖5所示。

在工作面斷層區(qū)域進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，單孔注漿施工的具體步驟如下：

① 使用錨桿鉆機(jī)在設(shè)計(jì)位置打設(shè)Ф42mm×5000mm的注漿鉆孔，鉆孔與煤壁成45°打設(shè)；

② 鉆孔打設(shè)完畢后，將注漿花管安裝在鉆孔內(nèi)，采用麻繩或棉紗與錨固劑攪拌到一起對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔作業(yè)，設(shè)置封孔長(zhǎng)度為0.5m；

③ 待注漿鉆孔孔口封孔強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)，安裝管路，將注漿槍與注漿花管連接到一起，即可進(jìn)行開泵注漿作業(yè)；

④ 單孔注漿量達(dá)到要求時(shí)，后續(xù)進(jìn)行停泵、卸壓作業(yè)，隨后拆除管路，安裝到下一個(gè)注漿孔上，依次進(jìn)行下一鉆孔注漿作業(yè)。

圖5 工作面斷層區(qū)域注漿鉆孔布置示意圖

（2）采煤工藝調(diào)整

為保障工作面順利推進(jìn)斷層區(qū)域，盡量在工作面推進(jìn)斷層區(qū)域時(shí)減小回采對(duì)斷層區(qū)域煤巖體的擾動(dòng)影響，針對(duì)采煤工藝方面做出的調(diào)整主要為降低割煤速度、提高支架初撐力、工作面?zhèn)涡闭{(diào)整。

① 2-208工作面正常的割煤速度為12～15m/min，現(xiàn)降低工作面回采推進(jìn)通過(guò)斷層區(qū)域的割煤速度，設(shè)置割煤速度為6～8m/min；

② 為有效降低煤壁局部的應(yīng)力集中系數(shù)，有效控制頂板區(qū)域的變形，工作面正常區(qū)域支架的初撐力為6412kN，現(xiàn)將工作面通過(guò)斷層支架的初撐力提升為7800kN，另外在工作面回采期間，保障液壓支架的供液壓力達(dá)到35MPa；

③ 由于斷層區(qū)域的圍巖條件復(fù)雜多變，現(xiàn)為保障工作面過(guò)斷層區(qū)域煤壁的穩(wěn)定，在斷層區(qū)域設(shè)置工作面?zhèn)雾數(shù)膬A斜角度為4～6°，有效避免工作面與斷層的滑落面間平行揭露，防止大范圍冒頂及片幫的現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.2 效果分析

2-208工作面過(guò)斷層破碎帶區(qū)域，采用注漿加固+調(diào)整采煤工藝的方法后，有效地提高了煤巖體的自身強(qiáng)度，提高了其抵抗變形的能力?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，工作面液壓支架的最大載荷為35MPa，過(guò)斷層期間，沒(méi)有出現(xiàn)支架超出最大載荷及支架壓死現(xiàn)象，煤壁無(wú)大范圍的片幫現(xiàn)象，工作頂板巖層無(wú)冒頂現(xiàn)象出現(xiàn)，保障工作面安全通過(guò)斷層區(qū)域。

4 結(jié)論

根據(jù)2-208工作面的斷層破碎帶區(qū)域的地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬的方式對(duì)工作面推進(jìn)通過(guò)斷層區(qū)域時(shí)圍巖的應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)育特征進(jìn)行分析，基于數(shù)值模擬結(jié)果和斷層區(qū)域地質(zhì)條件，確定采用注漿加固+調(diào)整采煤工藝的方式通過(guò)斷層區(qū)域。方案實(shí)施后，工作面通過(guò)斷層區(qū)域時(shí)無(wú)液壓支架的超限及壓架現(xiàn)象，回采過(guò)程中基本無(wú)煤壁片幫及頂板冒頂現(xiàn)象出現(xiàn)，保障了工作面順利推進(jìn)通過(guò)F1162斷層破碎帶區(qū)域。