斷層附近采區(qū)巷道預(yù)掘風(fēng)橋圍巖控制技術(shù)研究

張立軍，馬國偉

(1.西山煤電集團 斜溝礦，山西 呂梁 033000；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院，陜西 西安 710000)

巷道是井工礦井生產(chǎn)活動的重要場所，一直以來在不同開采條件、地質(zhì)環(huán)境下巷道的支護設(shè)計不斷衍生出新的支護工藝?yán)碚撆c支護裝備。高預(yù)應(yīng)力支護體系、高強度錨桿(索)、高強度錨噴支護等為高產(chǎn)高效掘送巷道奠定了基礎(chǔ)。圍繞巷道的研究多是從礦山壓力、圍巖力學(xué)強度、采動擾動影響等角度出發(fā)，但是伴隨著井工礦井采掘埋深、開采強度的增加，礦井采盤區(qū)巷道交叉錯綜復(fù)雜。此時，研究多條巷道交叉點處支護設(shè)計優(yōu)化對巷道不同斜交延伸開鑿方式、不同層間距過立交掘進支護技術(shù)分析具有重大意義。斜溝煤礦目前正在開采一水平11和二水平21采區(qū)，13采區(qū)作為準(zhǔn)備采區(qū)正在建設(shè)中，考慮到目前使用無軌膠輪車進行輔助運輸，對巷道坡度及運輸距離有一定的要求，同時采區(qū)輔助運輸上山巷道的布置直接影響保護煤柱留設(shè)范圍及工作面的布置，從技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)上也希望采區(qū)輔助運輸上山與其他巷道出現(xiàn)交叉關(guān)系時能布置最優(yōu)。因此，對13采區(qū)輔助運輸上山巷道的布置設(shè)計技術(shù)研究對礦井后續(xù)采掘銜接具有重要的意義。

1 工作面概況

13采區(qū)位于井田南部，是礦井上水平8#煤層采區(qū)，南為礦界、北鄰11采區(qū)、西鄰+700 m水平3條大巷、東為礦界。8#煤開采標(biāo)高為+705～+1 023 m，蓋山厚度為50～380 m.本區(qū)走向長2 401.6 m，傾向長2 638.2～3 365.4 m，面積4.9 km2.8#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，主煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均4.81 m，屬中厚煤層，平均傾角9°.煤層頂板以泥巖、細粒砂巖或砂質(zhì)泥巖為主。

在13采區(qū)帶式輸送機上山的掘進過程中，揭露SF57正斷層，傾角55°～65°，落差0～3.7 m，斷層位置關(guān)系見圖1.煤層巷道底板依次為炭質(zhì)泥巖和砂巖，頂板依次為泥巖和砂巖，圍巖力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

圖1 13采區(qū)盤區(qū)巷道局部布置圖

考慮到輔運上山長期過往重型車輛，因此13采區(qū)輔助運輸上山里程B4點向前308.43 m處，將從13采區(qū)帶式輸送機上山下方通過，預(yù)計立交工程后兩巷層間距為0.3～0.964 m.為加快施工進度，計劃提前施工13采區(qū)輔助運輸上山與13采區(qū)帶式輸送機上山立交，并提出在立交施工處采取從13采區(qū)帶式輸送機上山由底板向下大揭蓋炮掘的方式。輔運大巷與皮帶大巷做立交設(shè)計，輔運大巷沿煤層底板布置，煤層傾角9°左右，兩巷立交層間距1.8 m，立交附近有一個2.7 m落差的斷層，在該構(gòu)造附近皮帶巷掘進期間巷道成型較差，幫部、頂板破碎較為嚴(yán)重，考慮到后期輔運大巷在皮帶巷下方做立交，要確保大揭蓋巷道成型的穩(wěn)定性，采用了注漿錨桿索、預(yù)注漿加固等治理手段。預(yù)掘大揭蓋立交示意圖見圖2.

圖2 預(yù)掘大揭蓋立交示意剖面圖

2 斷層附近大斷面立交圍巖控制分析

2.1 地應(yīng)力分析

基于水力壓裂對礦井上下兩個水平8#、13#煤層進行地應(yīng)力測試(表2)，為巷道支護設(shè)計、支護參數(shù)優(yōu)化、支護設(shè)備、材料選型等提供科學(xué)依據(jù)。巷道過斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域水平、垂直應(yīng)力集中強度和影響范圍將放大。

表2 水力致裂地應(yīng)力測試結(jié)果表

結(jié)果顯示：8#煤層最大水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力分別為15.01 MPa、8.76 MPa、7.58 MPa.地應(yīng)力強度判斷標(biāo)準(zhǔn)：低應(yīng)力區(qū)0～10 MPa；中等應(yīng)力區(qū)10～18 MPa；高應(yīng)力區(qū)18～30 MPa，超高應(yīng)力區(qū)大于30 MPa.8#煤測試區(qū)域地應(yīng)力場屬于中等應(yīng)力值區(qū)域。

2.2 斷層圍巖強度

研究地應(yīng)力首先要考慮被測區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境情況，斷層區(qū)域地應(yīng)力集中強度、范圍隨著破碎帶厚度、落差、傾角變化出現(xiàn)明顯變化規(guī)律,與前兩個要素成正相關(guān)，與后者成負(fù)相關(guān)。

現(xiàn)場通過鉆孔窺視對斷層帶附近新開掘的巷道圍巖內(nèi)部進行了觀察，新掘巷道變形嚴(yán)重段圍巖受斷層帶影響，附近區(qū)域巷道圍巖巖性較差、頂板各砂巖含水層裂隙水發(fā)育，圍巖多數(shù)破碎成小塊體狀，且孔內(nèi)圍巖含水。巷道圍巖內(nèi)部在1～3 m較為破碎，4～5 m破碎較小但是也存在一定的裂隙。斷層帶附近巷道圍巖控制應(yīng)充分考慮對破碎區(qū)圍巖的加固。

2.3 斷層構(gòu)造應(yīng)力

結(jié)合該礦現(xiàn)場生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，分析臨近斷層構(gòu)造應(yīng)力條件下巷道變形機理，數(shù)值模擬分析結(jié)果見圖3.

圖3 構(gòu)造應(yīng)力影響巷道應(yīng)力云圖

巷道掘送距離斷層0～10 m時，塑性破壞區(qū)范圍大，圍巖剪應(yīng)力集中，圍巖位移變形量大，巷道治理難度大，支護工程量大；10～20 m破壞區(qū)范圍、集中程度明顯降低；超過30 m后各項指標(biāo)趨近于原巖應(yīng)力水平。

靠近斷層側(cè)立交巷道圍巖受剪應(yīng)力集中影響顯著，巷道兩側(cè)頂、幫變形量呈現(xiàn)非對稱性規(guī)律，近斷層頂、幫的塑性區(qū)深度分別為4 m、6 m.底板近斷層底角范圍較大，延伸至斷層附近。為此，根據(jù)模擬分析結(jié)果以及現(xiàn)場工況，重點加強近斷層側(cè)圍巖補強支護強度。

3 巷道深淺孔注漿加固技術(shù)研究

3.1 注漿加固機理

利用水泥、化學(xué)漿液對破碎失穩(wěn)圍巖進行注漿加固，其原理是利用漿液把圍巖的各弱面充實，同時將弱面充填體與四周巖體重新膠結(jié)起來，將破碎巖體黏結(jié)形成條狀網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，從而使得破碎巖體重新成為具有較好彈粘性和黏結(jié)強度的均勻密實的巖體護。

3.2 注漿參數(shù)設(shè)計

由于斷層附近圍巖裂隙較多，為防止大斷面巷道二次開挖圍巖變形嚴(yán)重，故對原巷道、新掘巷道頂板、兩幫打設(shè)注漿錨索加強支護。同時，為降低斷層附近構(gòu)造應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性影響，采用深淺孔注漿方式加固斷層周圍破碎圍巖，降低構(gòu)造應(yīng)力強度和影響范圍。根據(jù)探孔資料顯示，立交施工段距離斷層10～15 m.采用SCJG-3型雙組份無機加固材料，該材料在破碎頂板的擴散范圍為1～2 m.

采用深、淺孔注漿加固方案確保漿液縱深全覆蓋破碎圍巖區(qū)域。設(shè)計注漿鉆孔d42 mm，鉆孔深度6 m/20 m，排距為5 m.注漿管采用4′鋼管，長度4 m/12 m，孔口處注漿管為實管，孔內(nèi)注漿管為花管。封孔采用環(huán)向膨脹式封孔器實現(xiàn)孔內(nèi)定位封孔。注漿錨索、深淺孔布置方式見圖4,5.

圖4 注漿錨索、注漿孔布置設(shè)計圖

4 注漿效果分析

1)現(xiàn)場觀察記錄注漿情況：注漿鉆孔周圍6 m范圍內(nèi)錨桿、幫部圍巖流掛漿液明顯，破碎圍巖包裹漿液充實均勻，注漿覆蓋區(qū)域錨桿(索)充填漿料，形成全長錨固效果。

圖5 注漿孔布置平面圖

2)注漿完畢后，采用炮掘的方式從13采區(qū)帶式輸送機上山由底板向下大揭蓋做立交。巷道煤幫平直、頂板圍巖完好，掘進工作面經(jīng)過注漿區(qū)域，未發(fā)生片幫、離層現(xiàn)象。與13采區(qū)帶式輸送機上山過斷層片幫情況對比，大接蓋立交段巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)較弱。

3)在斷層附近預(yù)先采用深淺孔注漿后，基于鉆孔窺視觀測注漿加固結(jié)果,見圖6.從圖6中可以清晰地看到固化的水泥充填滿大的裂隙，起到網(wǎng)絡(luò)骨架的作用。

圖6 注漿后鉆孔窺視圖

5 結(jié) 語

1)臨近斷層掘送立交大斷面巷道，水平、垂直、剪切應(yīng)力集中范圍和強度明顯增強，需要預(yù)先對斷層構(gòu)造應(yīng)力進行控制，降低對巷道穩(wěn)定性影響。

2)采用深、淺孔交錯預(yù)先對臨近斷層破碎區(qū)域加固注漿，有效確保漿液全覆蓋破碎圍巖區(qū)域，提高圍巖整體強度。注漿后地應(yīng)力重新分布，對新掘送巷道圍巖穩(wěn)定性影響趨近于原巖應(yīng)力。

3)注漿完畢后，炮掘立交大巷巷道煤幫平直、頂板圍巖完好，掘進工作面經(jīng)過注漿區(qū)域，未發(fā)生片幫、離層現(xiàn)象。