晉邦德礦14207工作面過斷層圍巖控制技術(shù)研究

李殿蛟

摘 要：晉邦德礦14207工作面，在掘進(jìn)過程中探測(cè)到前方遭遇正斷層，通過對(duì)巷道松動(dòng)圈的監(jiān)測(cè)，得出原支護(hù)方案不足以回風(fēng)大巷安全通過斷層，再基于松動(dòng)圈理論基礎(chǔ)上，提出新的支護(hù)方案，以期使巷道安全順利的通過斷層破碎帶，并且通過Flac 3D對(duì)新支護(hù)方案進(jìn)行模擬，驗(yàn)證該方案的可行性，并且對(duì)14207工作面實(shí)施優(yōu)化改造，優(yōu)化后監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，巷道過斷層時(shí)，圍巖穩(wěn)定，保證礦井的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;過斷層;圍巖控制;注漿鉆孔

1 礦井概況

晉邦德礦井田面積達(dá)到9.011km2，產(chǎn)量為1.2Mt/a，開采的深度1120m至740m，井田南北約4km，東西約為3.5km。14207工作面走向長(zhǎng)度1203m，傾斜長(zhǎng)度280m，采區(qū)主采8#煤，煤層厚度為3.8～4.8m，均厚4.5m，煤層直接頂為L(zhǎng)1泥灰?guī)r，均厚為2.32m，普式硬度為7.5，基本頂為粉砂巖，均厚2.33m，普式硬度5.3，直接底為粉砂質(zhì)泥巖，均厚為0.97m，普式硬度4.5，老底為粉砂巖，均厚為3.60m，普式硬度為5.3。當(dāng)14207工作面掘進(jìn)進(jìn)至70m時(shí)會(huì)遭遇正斷層F18506-4，該斷層走向350°，傾向80～346°，傾角68°，落差為1.5～3m，對(duì)掘進(jìn)影響程度極大。

2 圍巖破壞分析

2.1 圍巖松動(dòng)圈實(shí)測(cè)

晉邦德礦14207工作面為煤巖巷矩形斷面，并且加噴射C25混凝土，厚度為150 mm，鋪底厚度為150 mm，強(qiáng)度為C30。原支護(hù)方式難以安全通過斷層，需對(duì)巷道圍巖進(jìn)行分析后提出優(yōu)化方案。為了探究巷道在遇斷層時(shí)圍巖破壞分析，在巷道斷層附近，由遠(yuǎn)至近間距為3m建立五組測(cè)站來(lái)進(jìn)行松動(dòng)圈監(jiān)測(cè)。通過實(shí)測(cè)可知，測(cè)站距離斷層較遠(yuǎn)，松動(dòng)圈范圍在1.82m左右，隨著巷道接近斷層松動(dòng)圈范圍逐漸增大，臨近斷層位置測(cè)站Ⅴ松動(dòng)圈大小為1.97m，相對(duì)正常巷道松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大了0.15m，故原有2.2m長(zhǎng)的錨桿在斷層附近產(chǎn)生脫錨現(xiàn)象原因?yàn)殄^固長(zhǎng)度嚴(yán)重不足。針對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用柔性結(jié)構(gòu)加強(qiáng)支護(hù)。

2.2 掘進(jìn)優(yōu)化方案

由于原巷道變形嚴(yán)重，晉邦得礦經(jīng)研究決定采用“水泥和水玻璃”這種雙漿液的注漿方法，對(duì)斷層圍巖進(jìn)行加固。采用預(yù)留巖冒注漿，第一階段原有巷道掘進(jìn)繞道，繞道與斷層走向垂直，第二階段預(yù)留巖冒，第三階段注漿。

首先進(jìn)行小斷面的開挖支護(hù)，為注漿作業(yè)創(chuàng)造臨時(shí)工作面，開口位置斷面為高2.3m，寬3.7m，深2m，并進(jìn)行錨噴網(wǎng)支護(hù)。注漿參數(shù)主要有以下四點(diǎn)：①雙液漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥和模數(shù)2.8～3.1、濃度30～ 35°Be’的水玻璃;②初期注漿壓力不超過2MPa，3次成孔后最大不超過4.5MPa。注漿開始前應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)的密封性和安全性，壓水試驗(yàn)的壓力達(dá)到2MPa，3次孔后壓力達(dá)到4.5MPa后，穩(wěn)定15min無(wú)異常時(shí)，即可開始正式注漿施工;③孔口管采用2寸半焊管，單根長(zhǎng)3m，單側(cè)帶高壓法蘭，一側(cè)帶螺紋，法蘭側(cè)加焊點(diǎn)，在初期對(duì)稱布置5個(gè)注漿孔，平均高度距底板1.6m，鉆孔采用2次成孔方式，開孔直徑為93mm，孔深2.5m，終孔直徑65mm，終孔深度根據(jù)鉆孔鉆探結(jié)果確定斷層厚度，水平鉆進(jìn)長(zhǎng)度超過斷層最遠(yuǎn)位置3m，所有鉆孔與巷道斷面外揚(yáng)成36°角。

結(jié)合斷層處圍巖破壞機(jī)理，利用松動(dòng)圈支護(hù)理論針對(duì)14207工作面軟巖巷道提出了新的支護(hù)方案，以期使巷道安全順利的通過斷層破碎帶。具體方案為：在巷道穿越斷層破碎位置前后7～8m內(nèi)采用“直墻半圓拱截面、‘錨索+錨桿+金屬網(wǎng)+噴砼+可縮性U型鋼支架+復(fù)噴砼’”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。其斷面支護(hù)形式簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2.3 數(shù)值模擬分析

為探究?jī)?yōu)化方案的有效性，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值模擬。14207工作面位于地下460m 深處，為直墻半圓拱斷面，巷道開挖尺寸為5.7m×4.4m（寬 ×高），凈斷面尺寸為5.4m×4.1m（寬×高），半圓拱半徑為2.7m，直墻高1.4m。模擬結(jié)果如圖2所示：

由圖2可知，圍巖主要發(fā)生剪切屈服和拉伸屈服，斷層核心位置塑性區(qū)明顯大于正常巷道的塑性區(qū)，究其根本是由于斷層破碎帶內(nèi)圍巖巖性較差。在斷層前5m處巷道位于斷層上盤中，塑性區(qū)在巷道底板范圍較大達(dá)到圍巖2.2m深處，巷道頂板相對(duì)較小在1.7m左右，兩幫平均塑性區(qū)厚度在1.9～2.1m;斷層核心破碎區(qū)位置塑性區(qū)相對(duì)較大，兩幫拱角處及底角處塑性區(qū)厚度達(dá)到了2.5～3.5m，兩幫塑性區(qū)厚度也在3m左右;巷道遠(yuǎn)離離斷層5m后，位于斷層下盤中，頂板塑性區(qū)相對(duì)斷層前5m處有一定發(fā)育，拱角處略微增大至1.85m，而底板處塑性區(qū)相對(duì)斷層前5m處略微減小，厚度在2m左右，可保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2.4 監(jiān)測(cè)效果分析

為了探究實(shí)際應(yīng)用效果，對(duì)巷道頂板離層量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)站的布置應(yīng)考同時(shí)慮實(shí)際生產(chǎn)情況和現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境進(jìn)行布置，盡可能布置在巷道原巖應(yīng)力較大或出現(xiàn)應(yīng)力集中的斷面。故測(cè)站布置在繞道后過斷層位置，在穿過斷層前6m、穿過斷層后6m各建立一測(cè)站，進(jìn)行為期60天的來(lái)保證巷道安全施工的進(jìn)行并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

測(cè)站一的頂板離層變化較快，10d內(nèi)頂板淺部離層迅速增長(zhǎng)至10mm，深部離層逐漸增長(zhǎng)至3mm，10d后頂板離層量逐漸增大，30d后淺部離層增大至14mm，淺部圍巖已穩(wěn)定，而深部離層增大至6mm，35d后繼續(xù)增大至7mm，之后深部離層量也進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

測(cè)站二的頂板離層較大，開挖后淺部圍巖首先出現(xiàn)離層情況，2d后深部圍巖才亦出現(xiàn)離層，前10d離層變化較為明顯，離層量增長(zhǎng)速率較大，10d后離層量繼續(xù)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速率較小，30d后淺部離層幾乎達(dá)到穩(wěn)定;40d后深部離層也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由此可知：頂板離層主要發(fā)生在前10d內(nèi)，之后頂板離層增量較小;圍巖深部離層量（2.6～7.3m）要小于淺部離層量（0～2.6m），但其穩(wěn)定周期要比淺部離層延長(zhǎng)5～10d;斷層位置深部和淺部離層量都明顯大于斷層前后巷道頂板的離層量且穩(wěn)定周期相對(duì)較長(zhǎng)，斷層上盤離層量略大斷層下盤離層量，巷道圍巖穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

晉邦德礦通過對(duì)巷道松動(dòng)圈的監(jiān)測(cè)，得出原支護(hù)方案不足以回風(fēng)大巷安全通過斷層，再基于松動(dòng)圈理論基礎(chǔ)上，提出新的支護(hù)方案，以期使巷道安全順利的通過斷層破碎帶，并且通過Flac3D對(duì)新支護(hù)方案進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示新支護(hù)方案的可行性，并且對(duì)14207工作面實(shí)施優(yōu)化改造，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，巷道通過斷層時(shí)圍巖穩(wěn)定，保證礦井的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李啟發(fā).大采高工作面過斷層數(shù)值模擬與圍巖控制技術(shù)[J].西部探礦工程，2019，031（010）：181-183，196.