鎮(zhèn)城底礦22605工作面過(guò)斷層巷道注漿加固技術(shù)研究

趙慧鵬

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053）

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采年限的不斷增加，煤炭資源的開(kāi)采由賦存較為簡(jiǎn)單的煤層逐步向著賦存較為復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移。在進(jìn)行煤礦作業(yè)時(shí)，地質(zhì)特征的多樣性對(duì)礦山開(kāi)采有一定影響，一旦遇到斷層工作面時(shí)，工作面的頂板變形量會(huì)增大，導(dǎo)致工作面控制難度增加，容易導(dǎo)致冒頂、片幫事故，嚴(yán)重威脅礦山的正常生產(chǎn)。本文以鎮(zhèn)城底礦為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)巷道過(guò)斷層注漿支護(hù)進(jìn)行研究，以為礦山安全生產(chǎn)提供一定的參考。

1 礦井概況及數(shù)值模擬的建立

1.1 鎮(zhèn)城底礦井概況

鎮(zhèn)城底礦隸屬于焦煤集團(tuán)，其位置位于山西省古交市西北處，據(jù)統(tǒng)計(jì)，鎮(zhèn)城底礦井田占地面積約16.63 km2，礦井西北走向6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，鎮(zhèn)城底礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為190萬(wàn)t。22605工作面地表位于八字山村北東，保溫材料廠以西，八字山回風(fēng)井以北，歇馬村以東；南東為赤泥巖村，地面有428地質(zhì)鉆孔，蓋山厚度為294～450 m；目前主采2、3號(hào)煤層，采用的是綜采放頂煤采煤工藝。3號(hào)煤層的22605工作面進(jìn)行開(kāi)切眼布置時(shí)，遇到正斷層，造成工作面破碎而不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致工作面支護(hù)困難，因此，本文對(duì)斷層注漿支護(hù)進(jìn)行了研究[1]。

大傾角的綜采面回采過(guò)程中若遇到斷層破碎帶，由于斷層區(qū)域的巖體完整性較差，巖體的強(qiáng)度較低，此時(shí)在破碎帶周邊的頂板出現(xiàn)大變形和運(yùn)移的可能性大幅度提升，尤其對(duì)傾斜工作面的上端頂板巖體影響最為明顯。因此，巖體在此范圍內(nèi)的應(yīng)力情況十分復(fù)雜，圍巖的控制難度也很大，且大傾角走向長(zhǎng)壁工作面的支護(hù)本身就較為困難，遇到斷層后無(wú)疑增加了困難程度，并難以保證頂板和支架的穩(wěn)定性[5-6]。當(dāng)回采工作面推進(jìn)至斷層破碎帶的應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，斷層的傾向沿著開(kāi)采的方向，回采工作面前方的煤（巖）體支承壓力大幅度提升，此時(shí)煤體或巖石中會(huì)出現(xiàn)明顯的縫隙，煤層及煤柱的強(qiáng)度大幅減小，底板的穩(wěn)定性降低，峰值壓力出現(xiàn)的位置逐漸向巖體前端轉(zhuǎn)移，且峰值壓力增加。無(wú)斷層與有斷層圍巖受力對(duì)比圖如圖1所示。

圖1 無(wú)斷層與有斷層圍巖受力情況

在大傾角工作面開(kāi)采時(shí)，由于圍巖應(yīng)力的不均勻分布，使得不同位置的礦壓顯現(xiàn)情況不同，此外，頂板的垮落速度與底板破壞的速度也不同，從而導(dǎo)致了工作面的圍巖支架系統(tǒng)不穩(wěn)定，易造成工作面事故的發(fā)生。

1.2 數(shù)值模擬的建立

以鎮(zhèn)城底礦22605為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬對(duì)可提高工作面斷層破碎頂板穩(wěn)定性的一種注漿加固技術(shù)進(jìn)行研究。注漿加固技術(shù)研究可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)值模擬主要包括有限元法、離散元和有限差分法等。本文主要通過(guò)對(duì)比注漿材料、注漿參數(shù)等因素對(duì)斷層破碎頂板的加固效果進(jìn)行分析，并采用有限差分法模擬軟件FLAC3D進(jìn)行模擬分析[2]。

注漿材料通?？煞譃樗囝悵{液與化學(xué)類漿液。常見(jiàn)的化學(xué)類漿液主要為環(huán)氧樹(shù)脂類的固化劑。有研究發(fā)現(xiàn)，水泥漿的水灰比為1.0∶0.8時(shí)擴(kuò)散性好，但其加固強(qiáng)度較低，所以不予選擇；當(dāng)水泥漿水灰比為1∶1時(shí)，此時(shí)的擴(kuò)散性差但強(qiáng)度較好。因此，為了保證單一變量原則，決定選擇水泥漿的水灰比為1.0∶0.8來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬研究[3]。

首先建立數(shù)值模擬模型，通過(guò)對(duì)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)三維立體模型。由于本文主要研究斷層破碎頂板區(qū)域，所以對(duì)斷層破碎區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)。查閱資料可知，斷層破碎帶的影響范圍大致在沿著走向長(zhǎng)度60 m的范圍內(nèi)，且斷層的類型為正斷層，正斷層的傾角為50°，上下落差達(dá)到5 m。工作面的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為180 m，但由于模擬存在一定的邊界效應(yīng)，這會(huì)在一定程度上影響模擬結(jié)果，所以為了避免邊界效應(yīng)，在模型的兩端各留出150 m的邊界效應(yīng)區(qū)，將模型的總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為480 m。開(kāi)切眼巷道的寬度設(shè)計(jì)為7.8 m，煤層高約為3 m，煤巖層為近水平分布，巷道頂板的冒落高度為10 m。所以模型的長(zhǎng)度為200 m、寬為65 m，將模型視為均勻連續(xù)介質(zhì)，并選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則完成模型設(shè)計(jì)。對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置時(shí)，將整個(gè)模型的下邊界設(shè)定為固定約束，限制模型X、Y、Z方向的移動(dòng)；在模型的四周設(shè)定水平方向約束，限制四邊水平方向的位移。在模型的上端施加均布載荷，根據(jù)實(shí)際計(jì)算，在模型上端施加的覆巖自重應(yīng)力設(shè)定為5.56 MPa。最后根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，對(duì)巖石的屬性進(jìn)行設(shè)置。完成所有設(shè)置后，對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 注漿材料對(duì)頂板下沉量的影響分析

在巷道直接頂布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)切眼巷道開(kāi)挖過(guò)程中頂板的變化情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置按照隨與斷層距離的減小而密的原則進(jìn)行布置，共布置104個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。首先對(duì)加固前的位移云圖進(jìn)行研究，模擬云圖如2所示。

圖2中的模擬負(fù)值代表頂板向下位移，從圖2中可以看出加固前的巖層位移量較大，在模型中的位移量最大值已經(jīng)達(dá)到171.43 mm。同時(shí)，在斷層帶影響區(qū)域的覆巖層位移量與其他區(qū)域的覆巖位移量大不相同，這是由于斷層的存在使得覆巖發(fā)生了一定的錯(cuò)動(dòng)，從而造成覆巖變形量增大。

圖2 加固前位移（m）模擬云圖

對(duì)不同注漿材料下的巷道頂板下沉量進(jìn)行模擬研究，并利用Origin軟件繪制對(duì)比曲線圖，如圖3所示。

圖3 不同注漿材料下頂板下沉量對(duì)比曲線

從圖3中可以看出，無(wú)論是選擇不經(jīng)過(guò)注漿加固還是選擇兩種注漿加固方法，頂板的下沉曲線均隨測(cè)點(diǎn)位置的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且均在測(cè)點(diǎn)位置為125 m處時(shí)取到最大值。同時(shí)，未經(jīng)注漿加固時(shí)頂板的下沉量最大值為171.43 mm；經(jīng)過(guò)水泥漿注漿加固后的頂板的下沉量最大值為98.41 mm；當(dāng)選擇環(huán)氧樹(shù)脂注漿加固后，巷道頂板最大下沉量?jī)H為4.13 mm。由此得出，環(huán)氧樹(shù)脂漿液能夠更好地強(qiáng)化對(duì)頂板的穩(wěn)定性，加固后頂板的下沉量明顯減小，且加固效果明顯大于水泥漿。

2.2 不同λ值對(duì)頂板下沉量影響分析

根據(jù)注漿工藝參數(shù)對(duì)加固效果的影響及漿液的擴(kuò)散性質(zhì)，設(shè)計(jì)對(duì)比值λ，用于表示注漿孔的間排距與漿液擴(kuò)散距離的幾何倍數(shù)關(guān)系，分別選擇λ值為1、1.5、2進(jìn)行分析，根據(jù)模擬結(jié)果繪制不同λ值下頂板下沉量曲線圖，如圖4所示。

圖4 不同λ值下頂板下沉量曲線

從圖4可以看出，頂板下沉量曲線隨著測(cè)點(diǎn)距離的增大同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，同樣在125 m處的位置取到三種λ值的下沉最大值。當(dāng)λ為2時(shí)，此時(shí)的頂板下沉量取到最大值為9.02 mm，為三種λ值中的最大值；當(dāng)λ為1.5時(shí)，此時(shí)的頂板下沉量取到最大值為6.28 mm；當(dāng)λ為1時(shí)，此時(shí)的頂板下沉量取到最大值為4.13 mm，為三種取值中的最小值。由此可以看出，隨著間排距的增大，巷道頂板的加固效果降低，巷道頂板下沉量增大，巖石的穩(wěn)定性下降。

3 結(jié)論

1）為了研究過(guò)斷層巷道支護(hù)技術(shù)，以鎮(zhèn)城底礦為研究背景，對(duì)有無(wú)斷層的圍巖受力進(jìn)行分析，并建立了數(shù)值模擬模型，為后續(xù)的模擬研究提供基礎(chǔ)。

2）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同注漿材料及無(wú)注漿條件下的巷道頂板下沉量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)注漿加固后頂板的變形量顯著降低，且利用環(huán)氧樹(shù)脂加固后頂板下沉量最小。

3）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同λ值下的巷道頂板下沉量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著λ值的增大，頂板下沉量逐步降低，當(dāng)λ值為1時(shí)下沉量最小。