南煤大陽泉公司8133工作面過斷層區(qū)域圍巖控制技術(shù)研究

史彥明

(華陽集團(tuán) 南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

1 工程概況

南煤集團(tuán)大陽泉公司8133工作面井下位于15號煤采區(qū)北翼，工作面西側(cè)為8135工作面采空區(qū)，南與15號軌道巷相接，北側(cè)緊鄰陽煤二礦礦界，東側(cè)為8129工作面采空區(qū)，上部為8133高、低抽巷；工作面開采15號煤層，煤層厚度為5.65～70 m，平均厚度為5.8 m，煤層傾角0～16°，平均傾角為8°，煤層內(nèi)含1～3層夾矸，煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

8133工作面采用走向綜合機(jī)械化放頂煤開采方法，采煤高度2.7 m，一采一放，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，全部垮落法管理頂板，根據(jù)掘進(jìn)成巷階段揭露和槽波地震勘探和坑透成果顯示，CF1、CF2、CF3斷層為槽波解釋的小型斷裂組或撓曲發(fā)育，位于工作面內(nèi)部，距離回采切眼約300～500 m，該區(qū)域煤巖體呈松軟破碎狀態(tài)，現(xiàn)為保障工作面通過該區(qū)域時圍巖穩(wěn)定，特進(jìn)行斷層破碎帶區(qū)域圍巖控制技術(shù)研究。

2 端面頂板垮落機(jī)理

根據(jù)8133工作面的地質(zhì)條件可知，工作面采用綜采放頂煤開采方法，由于工作面端面頂板為煤層，且在斷層破碎帶區(qū)域煤巖體較為破碎，在端面頂板區(qū)域頂板較為破碎易產(chǎn)生露冒現(xiàn)象，現(xiàn)根據(jù)斷層破碎帶的特征，將端面頂板視為散體，視頂板為垮落拱結(jié)構(gòu)[1-2]，現(xiàn)假設(shè)煤層的水平傾角為0°，建立如圖1所示的端面頂板垮落拱力學(xué)模型，根據(jù)力學(xué)模型進(jìn)行垮落拱平衡狀態(tài)時的受力分析。

圖1 端面頂板垮落拱力學(xué)模型

根據(jù)力學(xué)模型可推導(dǎo)得出端面頂板垮落拱高度的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：h為頂板垮落拱高度，m；kγ為圍巖安全系數(shù)，取為1；L為端面的跨度，取0.34 m；C為煤壁片幫深度，m；fn為巖層硬度系數(shù)；fr為煤層硬度系數(shù)，斷層破碎帶取0.18；γ為采場上方巖層平均容重，取25 kN/m3，H為工作面距地表深度，取150 m；φ為煤層內(nèi)摩擦角，取20°；Kcx為工作面擠壓應(yīng)力集中系數(shù)，取0.25；B為工作面采動影響程度參數(shù)，取4；M為工作面采高，取2.7 m?；谏鲜鰯?shù)據(jù)計(jì)算可得出工作面斷層破碎帶區(qū)域煤壁的片幫深度約為0.34 m，頂板垮落帶的深度約為2.8 m。

通過繼續(xù)分析力學(xué)模型可知，垮落拱的拱腳力跨度會隨著跨度的增大而不斷增大，工作面回采作業(yè)時需縮短端面距。在工作面回采期間，通過提高液壓支架工作阻力的方式能夠達(dá)到降低拱腳支撐力的效果，以此達(dá)到降低頂板垮落高度的目的。另外隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，端面頂板垮落拱會處于移動應(yīng)力場內(nèi)，工作面回采會打破原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得采動對頂板的影響程度不斷提高，進(jìn)而導(dǎo)致頂板垮落帶高度和礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象逐漸增大[3-4]。

為保障8133工作面回采通過斷層破碎帶區(qū)域時煤壁和頂板煤巖體不破裂，擬對破碎煤巖體采取注漿加固技術(shù)，破碎頂板巖層在注漿加固后能夠在破碎帶區(qū)域形成強(qiáng)度較高的區(qū)域，將頂板巖層由散體結(jié)構(gòu)向整體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，現(xiàn)結(jié)合端面梁的特點(diǎn)，將其視為“梁”結(jié)構(gòu)，建立力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 加固梁力學(xué)模型

分析加固梁力學(xué)模型能夠推導(dǎo)得出梁的加固厚度h的表達(dá)式為：

(2)

式中：h為加固梁厚度，m；L為頂梁與煤壁距離，取0.34 m；k1、k2為裂隙巖層和普通巖層強(qiáng)度系數(shù)，分別取0.7和0.9。

本次注漿材料擬采用水泥—水玻璃注漿材料，通過對破碎帶區(qū)域注漿后的試驗(yàn)分析，得出加固體的平均抗拉強(qiáng)度為0.5 MPa。結(jié)合地質(zhì)條件可知，端面頂板加固量的荷載為3.7 MPa，代入式(2)中計(jì)算可得出注漿加固的厚度h>2 m。

3 圍巖控制方案及效果

3.1 圍巖控制方案

根據(jù)上述端面頂板垮落機(jī)理的分析結(jié)果，結(jié)合工作面斷層破碎帶的分布特征，設(shè)計(jì)工作面過斷層區(qū)域采用超前預(yù)注漿+架前注漿相結(jié)合的注漿方案，各項(xiàng)措施的具體參數(shù)如下：

1) 超前預(yù)注漿：為保障漿液在破碎圍巖體內(nèi)的擴(kuò)散效果及其與破碎巖體的膠結(jié)效果，注漿材料選用水泥—水玻璃，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知[5-6]，該種漿液最佳的擴(kuò)散半徑為15 m，為保障注漿效果，現(xiàn)設(shè)置鉆孔間距為17 m，結(jié)合斷層破碎帶的分布形態(tài)，在回風(fēng)巷道內(nèi)設(shè)置5個超前深孔注漿鉆孔，超前鉆孔間間隔1 m布置，鉆孔各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

表2 超前深孔注漿鉆孔參數(shù)

本次斷層破碎帶區(qū)域注漿采用分步注漿法，由遠(yuǎn)及近劃分為7個注漿段，每段長度為20 m，在注漿鉆孔外段15 m范圍內(nèi)采用套管進(jìn)行固孔作業(yè)，水泥漿—水玻璃配比1∶0.5，水泥漿水灰比為0.8，設(shè)置終孔注漿壓力為5 MPa，具體超前鉆孔的布置形式如圖3所示。

圖3 超前注漿鉆孔布置方式示意

2) 架前注漿：架前注漿材料采用馬麗散，漿液的擴(kuò)散半徑約為2 m。有效注漿深度主要受到注漿孔直徑和孔深的影響。設(shè)計(jì)本次注漿孔孔徑為42 mm，鉆孔深度為6 m，仰角為15°，工作面每回采4 m進(jìn)行一次注漿作業(yè)，設(shè)置注漿鉆孔的間距為3 m，即每兩架液壓支架間布置1個注漿鉆孔，具體架前注漿鉆孔的布置形式如圖4所示。

圖4 架前注漿鉆孔布置形式示意

根據(jù)眾多破碎圍巖體注漿加固的相關(guān)研究結(jié)論[7]，確定本次斷層破碎帶區(qū)域架前注漿方式采用交替間隔注漿，注漿的終孔壓力為4～6 MPa。

3.2 效果分析

8133工作面斷層破碎帶區(qū)域注漿加固方案實(shí)施后，通過鉆孔窺視的方式進(jìn)行破碎帶區(qū)域注漿效果的檢驗(yàn)分析，窺視鉆孔布置在兩個超前注漿鉆孔中間，主要探測斷層破碎帶的注漿效果，窺視鉆孔終孔位于斷層破碎帶中部，根據(jù)窺視結(jié)果得出斷層破碎帶注漿后的效果，如圖5所示。

圖5 斷層破碎帶區(qū)域注漿加固后效果

分析圖5可知，工作面斷層破碎帶區(qū)域注漿加固后破碎煤巖體被有效膠結(jié)在一起，破碎帶內(nèi)的裂隙被漿液充滿，且根據(jù)窺視結(jié)果可知，斷層破碎帶前端、中部和后端的注漿加固效果相同，基本無差異，這表明本次注漿加固效果良好，將斷層破碎帶內(nèi)的松散煤巖體有效地膠結(jié)成一個整體，提升了破碎巖體的整體性和自身承載能力，為工作面安全推進(jìn)通過斷層破碎帶區(qū)域提供了有力保障。

工作面采用中部支架和端頭支架的型號分別為ZF6200/17/32H和ZFG6600/17/32H，通過對工作面回采推進(jìn)通過斷層破碎帶區(qū)域時液壓支架工作阻力的監(jiān)測分析可知，工作面過斷層區(qū)域時，液壓支架的工作阻力均在3 500～6 100 kN的范圍內(nèi)，支架無壓架現(xiàn)象出現(xiàn)，另外根據(jù)回采期間的現(xiàn)場觀測可知，工作面斷層區(qū)域無大范圍片幫、漏頂現(xiàn)象出現(xiàn)，據(jù)此可知斷層破碎帶區(qū)域注漿加固效果顯著。

4 結(jié) 語

根據(jù)8133工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合斷層破碎帶的分布規(guī)律，通過分析端面頂板的冒頂機(jī)理，確定斷層破碎帶采用注漿加固技術(shù)，頂板注漿加固的厚度需大于2 m，進(jìn)一步基于斷層破碎帶特征，確定采用超前注漿+架前注漿相結(jié)合的注漿方案，根據(jù)注漿后的效果分析可知，注漿加固保障了工作面安全推進(jìn)通過斷層破碎帶區(qū)域。