斷層破碎帶走向方向大斷面巷道支護(hù)實(shí)踐

孔祥忠

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦，山西 大同 037001）

1 工程概況

8301 工作面為塔山煤礦三盤區(qū)首個工作面，四周均為實(shí)煤區(qū)，上覆為晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖礦侏羅系14 號層采空區(qū)及小窯東乃山煤礦、東坡煤礦、西溝煤礦侏羅系14 號、15 號層采空區(qū)，層間距300～370 m。8301工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部分叉。5 號煤層厚度4.10～18.99 m，平均11.23 m。煤層中含3～13 層夾矸，平均8 層，厚度為1.85 m，巖性為黑色泥巖、高嶺巖。3 號煤層厚度為0.31～8.31 m，平均3.04 m，與5 號煤層間距在0.75～6.33 m 之間，平均2.62 m。各可采煤層的物理性質(zhì)較相似，內(nèi)生裂隙較發(fā)育。

8301 工作面設(shè)計(jì)長度1720 m，矩形斷面，巷道寬度×高度=4.5 m×4.2 m，采用走向長壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化放頂煤工藝。8301 工作面在推進(jìn)過程中遇到兩大難題：（1）工作面巷道與F6 斷層走向方向平行，F(xiàn)6 斷層落差為9.2～12.3 m，傾角75°，長度達(dá)243 m，在斷層剪切拖拽作用下，周圍形成多條次生小斷層，受走向斷層破碎帶的影響，該工作面的頂板較為破碎，支護(hù)比較困難，對工作面的開采影響持續(xù)時間長、影響大；（2）工作面靠近尾巷部分出現(xiàn)大面積火成巖侵入，巖石硬度較大，對機(jī)組滾筒截齒磨損嚴(yán)重，開采過程問題頻發(fā)。

2 斷層破碎帶走向方向巷道圍巖穩(wěn)定性分析

為解決8301 工作面頂板較為破碎、支護(hù)比較困難的問題，以8301 工作面地質(zhì)力學(xué)條件為基礎(chǔ)，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，系統(tǒng)地對8301 工作面在開采過程中圍巖應(yīng)力場分布規(guī)律進(jìn)行研究[1-6]。模擬的斷層附近圍巖應(yīng)用場分布情況如圖1。

在8301 工作面靠近F6 斷層側(cè)的肩角與幫部區(qū)域，應(yīng)力最高達(dá)到36 MPa，為采動高應(yīng)力集中區(qū)。在該區(qū)域，工作面上下兩幫應(yīng)力梯度影響明顯，差值達(dá)8～12 MPa。從圖1 可知，8301 工作面沿斷層走向揭露后，頂板圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)出顯著不對稱性，顯然斷層下盤頂、幫圍巖的變形量要大于斷層上盤頂、幫圍巖的變形量。針對斷層上、下盤在頂、幫圍巖的變形不對稱問題必須要設(shè)計(jì)合理的不對稱支護(hù)方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖1 模擬斷層附近圍巖應(yīng)力場分布圖

3 巷道圍巖控制技術(shù)與支護(hù)方案

基于8301 工作面地質(zhì)實(shí)況，結(jié)合模擬斷層附近圍巖應(yīng)力場分布規(guī)律，制定了該工作面巷道的圍巖控制技術(shù)與支護(hù)方案。

3.1 斷層破碎帶超前預(yù)注漿加固技術(shù)

考慮到8301 工作面沿F6 斷層破碎帶走向方向布設(shè)的情況，確定采用斷層破碎帶超前預(yù)注漿加固技術(shù)，超前預(yù)注漿加固系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。超前預(yù)注漿加固工藝流程：在破碎圍巖處確定鉆孔位置→鉆孔→采用注漿泵通過注漿管注入注漿材料→封孔器封孔。注入的注漿材料固結(jié)后將破碎巖石膠結(jié)成一個整體，可以大幅度提高巷道圍巖的強(qiáng)度和承載力。

圖2 超前預(yù)注漿加固系統(tǒng)示意圖

3.1.1 注漿材料及設(shè)備

注漿材料選用SCPJG-2 有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料，該注漿材料具有結(jié)實(shí)強(qiáng)度高、膠凝時間可控、可注性強(qiáng)、阻燃性能好等優(yōu)點(diǎn)。選用ZBQS-10/10 注漿泵，配備高壓注漿管進(jìn)行注漿施工。

3.1.2 鉆孔設(shè)計(jì)

自工作面巷道開口斷面處位置設(shè)計(jì)4 組鉆孔，每組布設(shè)3 個注漿鉆孔，鉆孔深度為7.5 m，注漿擴(kuò)散半徑為1 m，注漿壓力6～7 MPa，注漿速度為8 L/min。

3.1.3 效果分析

8301 工作面破碎帶中共打設(shè)注漿鉆孔12 個，共計(jì)進(jìn)尺826 m，單個注漿孔孔深為6.0 m，注漿量約為0.62 m3，累計(jì)注入注漿材料2314 m3。在工作面開口向前開采15 m 位置處施工2 個頂板窺視孔。觀測結(jié)果表明，巷道破碎圍巖在注漿后注漿材料填充到了破碎巖體孔隙各處，注漿材料呈現(xiàn)出片狀和條狀，相互交錯連接形成致密的網(wǎng)絡(luò)骨架，進(jìn)而將以往破碎圍巖膠結(jié)在一起形成致密的一片整體，能有效提高其物理強(qiáng)度，充分說明該巷道實(shí)施的斷層破碎帶超前預(yù)注漿加固方案合理有效。

3.2 “三高”支護(hù)強(qiáng)化技術(shù)

對8301 工作面巷道采用“三高”支護(hù)強(qiáng)化技術(shù)?！叭摺碧刂稿^桿的高預(yù)拉力、桿體的高剛度和高錨固點(diǎn)。對錨桿材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，并強(qiáng)化施工工藝，實(shí)現(xiàn)對巷道圍巖的閉式支護(hù)。

（1）對錨桿施加較高的預(yù)拉力，可有效提升“錨桿-圍巖”支護(hù)體系的承載能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減小巷道圍巖變形量的效果。（2）高強(qiáng)度和高剛度錨桿的應(yīng)用能影響到錨桿載荷向圍巖的擴(kuò)散和增荷速度，進(jìn)而增加支護(hù)裝備的抗變形能力，實(shí)現(xiàn)高增阻限制巷道大變形的結(jié)果。（3）設(shè)置高錨固點(diǎn)，可最大程度調(diào)動巷道深部穩(wěn)定圍巖，實(shí)現(xiàn)降低周邊巖體在巷道中位移的目的。

3.3 局部預(yù)應(yīng)力長錨索不對稱加固技術(shù)

從模擬斷層附近圍巖應(yīng)力場分布情況可知，斷層破碎帶走向方向圍巖呈現(xiàn)不對稱受力狀態(tài)，普通加固支護(hù)技術(shù)在不對稱受力狀態(tài)下后期其整體圍巖支護(hù)容易失效。針對這一情況提出局部預(yù)應(yīng)力長錨索不對稱加固技術(shù)方案，在8301 工作面揭露斷層體下盤必須打設(shè)錨索配合大托盤進(jìn)行支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。該補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案可以有效地減緩巷道頂板圍巖的整體位移，消除頂板因應(yīng)力不均導(dǎo)致的離層現(xiàn)象。

4 礦壓觀測分析

對8301 工作面礦壓進(jìn)行觀測，觀測數(shù)據(jù)如圖3。結(jié)果顯示，8301 工作面開采期間強(qiáng)化巷道圍巖控制后，巷道頂板下沉量約235 mm，下盤側(cè)煤幫移近量約為195 mm，上盤側(cè)煤幫移近量約為145 mm，兩幫總移近量約355 mm。對比之前的普通支護(hù)，該支護(hù)方案中頂板下沉量、下盤側(cè)煤幫移近量、上盤側(cè)煤幫移近量和兩幫總移近量都有了顯著降低。盡管上盤側(cè)煤幫移動量仍高于下盤側(cè)煤幫移近量，但從整體上來看，非對稱性變形特征得到顯著抑制。8301 工作面施工結(jié)束的24～35 d 時間內(nèi)，巷道巖體基本上趨于穩(wěn)定。因此，8301 工作面圍巖控制技術(shù)與支護(hù)方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是合理的，能有效地控制巷道圍巖的變形量。

圖3 8301 工作面圍巖變形曲線圖

5 結(jié)論

以塔山煤礦8301 工作面為案例，進(jìn)行了斷層破碎帶走向方向大斷面煤巷支護(hù)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用研究?；贔LAC3D數(shù)值模擬軟件得到的巷道受力和變形基礎(chǔ)，采用了斷層破碎帶超前預(yù)注漿加固術(shù)、“三高”支護(hù)、不對稱補(bǔ)強(qiáng)加固的綜合支護(hù)方案。礦壓觀測數(shù)據(jù)表明：頂板下沉量、下盤側(cè)煤幫移近量、上盤側(cè)煤幫移近量和兩幫總移近量都較低，該聯(lián)合支護(hù)方案能有效控制巷道圍巖的變形量，保障了8301 工作面煤礦開采的安全。