掘進(jìn)工作面過(guò)斷層剛?cè)狁詈献{頂板控制探討

張亮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉城煤炭事業(yè)部，山西 晉城 048000）

0 引 言

統(tǒng)計(jì)資料顯示，斷層構(gòu)造在各種誘發(fā)煤壁和頂板事故中的占比較高，且斷層構(gòu)造極易引發(fā)煤壁片幫和冒頂事故?，F(xiàn)有的研究大多集中在工作面過(guò)與煤層走向垂直的斷層時(shí)頂板控制方面，而對(duì)其余情形研究較少。本文以長(zhǎng)平公司六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷為研究對(duì)象，在分析掘進(jìn)工作面過(guò)斷層頂板垮落、片幫、冒頂破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深淺分帶剛?cè)狁詈献{施工方案可行性的數(shù)值模擬，并對(duì)加固效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為該注漿加固技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

長(zhǎng)平公司六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷在向西掘進(jìn)的過(guò)程中，根據(jù)地測(cè)預(yù)報(bào)，前方存在兩處地質(zhì)異常區(qū)域（背斜影響區(qū)域和斷層影響區(qū)域）。六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷由1 號(hào)橫川向西580～605 m 為背斜影響區(qū)域，兩翼傾角為2°～4°，局部最大可達(dá)8°，相對(duì)寬緩背斜。六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷1 號(hào)橫川向前約586 m 將可能揭露傾向75°，傾角70°，落差約2 m 的正斷層FW2306-1；六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷1 號(hào)橫川向前約616 m將可能揭露傾向260°，傾角40°～60°，落差1～2.5 m 的正斷層FW2306-2。由于工作面處于背斜軸部急下坡段，最大坡度14°左右，上述2 條斷層也可能是局部坡度突變和煤層厚度變化造成的。

為確保六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷過(guò)地質(zhì)異常區(qū)域的施工安全，必須對(duì)其頂板控制進(jìn)行分析探討。六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷長(zhǎng)16 m、高3.5 m，掘進(jìn)工作面在過(guò)斷層過(guò)程中，采用注漿支護(hù)方案，以高分子聚亞胺膠脂為主要注漿材料，注漿孔的布置情況如圖1 所示。

圖1 注漿孔布置情況Fig.1 Grouting hole arrangement

在與頂板相距1.5 m 的位置斜向上75°設(shè)置一排孔徑25 mm、孔距3.0 m、孔深5.0 m 的注漿孔，沿工作面走向布置。但在工作面掘進(jìn)至斷層周?chē)鷷r(shí)，頂板圍堰節(jié)理、裂隙發(fā)育，在斷層的影響下出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫、冒頂，表明原支護(hù)方案無(wú)法滿(mǎn)足掘進(jìn)工作面正常推進(jìn)要求。

2 頂板控制技術(shù)

結(jié)合正斷層破斷機(jī)理及長(zhǎng)平公司六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出深淺分帶剛?cè)狁詈献{控制技術(shù)，具體如圖2 所示。

圖2 深淺分帶剛?cè)狁詈献{支護(hù)Fig.2 Deep and shallowzoning rigid-flexible coupling grouting support

過(guò)斷層頂板注漿采用剛性無(wú)機(jī)材料和柔性有機(jī)材料相結(jié)合的方案。剛性注漿材料初凝時(shí)間3～7 s，0.5 h 抗壓強(qiáng)度不小于16 MPa，24 h 抗壓強(qiáng)度不小于20 MPa，水灰比0.8，微膨脹率不小于0.2%，注漿壓力1.0～3.0 MPa，漿液擴(kuò)散半徑1.0～1.5 m，且具有早強(qiáng)、快凝、不干縮等特點(diǎn)；柔性注漿材料初凝時(shí)間3～5 s，抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa，發(fā)泡倍數(shù)可達(dá)30 倍，注漿壓力為3.0～5.0 MPa，漿液擴(kuò)散半徑1.5～2.0 m，具有高膨脹率、強(qiáng)壓縮性、快凝等特征。

向工作面頂板斷層帶圍巖淺部裂隙發(fā)育帶注入剛性無(wú)機(jī)漿液，向深部微裂隙帶內(nèi)注入柔性有機(jī)漿液。利用具備剛性屬性的無(wú)機(jī)漿液將頂板淺部破碎帶膠結(jié)成強(qiáng)度較高的支撐結(jié)構(gòu)，并且將頂板淺部發(fā)揮載荷作用的圍巖固化成承載體結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮其承載性能。將漿液顆粒小的柔性有機(jī)發(fā)泡材料注入深部巖體后，深部微裂隙帶會(huì)形成柔性減壓層，在高應(yīng)力影響下將注漿結(jié)構(gòu)體內(nèi)空洞擠密，同時(shí)釋放原位壓力，保證圍巖結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)能較好發(fā)揮支護(hù)作用和圍巖結(jié)構(gòu)的自載性能，并能有效控制頂板極限剪應(yīng)力。

六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷斷層帶淺部破碎巖體集中分布于深度為0～1.9 m，深部微裂隙帶巖體集中在2.8～6.5 m，探測(cè)結(jié)果顯示，裂隙帶和圍巖破碎帶范圍存在較大的擴(kuò)展可能。根據(jù)這些情況，確定淺部和深部注漿孔埋深分別為2.4 m 和6.0 m，注漿壓力分別為2.5 MPa 和4.8 MPa。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型創(chuàng)建

應(yīng)用FLAC3D 模擬軟件進(jìn)行實(shí)體建模。六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷斷層帶地質(zhì)條件復(fù)雜，網(wǎng)格劃分困難，因此通過(guò)AutoCAD-ANSYS-FLAC3D 等系列技術(shù)構(gòu)建數(shù)值模型。其中掘進(jìn)工作面斷層二維平面圖通過(guò)AutoCAD 繪制，將斷層按照煤層歸集為若干組，便于此后工作面開(kāi)挖網(wǎng)格的完整劃分；在此基礎(chǔ)上，單獨(dú)地將待開(kāi)挖工作面作為1 個(gè)分組處理后導(dǎo)入ANSYS 軟件，結(jié)合工作面實(shí)際情況，進(jìn)行材料屬性及單元定義后劃分網(wǎng)格，拉伸成體；將所得出的數(shù)值計(jì)算模型轉(zhuǎn)化成FLAC3D 軟件能夠識(shí)別的格式，并重新進(jìn)行分組處理和相關(guān)參數(shù)的添加，隨即對(duì)相關(guān)數(shù)值展開(kāi)模擬。應(yīng)用長(zhǎng)40 m、寬44.5 m、高10 m 的Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，共包括71 650個(gè)單元和76 492 個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)值計(jì)算模型如圖3 所示，注漿體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 深淺分帶剛?cè)狁詈献{體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of deep and shallowzoning rigid-flexible coupling grouting body

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2 模擬結(jié)果

對(duì)六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷斷層帶應(yīng)用深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)的加固支護(hù)效果主要體現(xiàn)在工作面塑性區(qū)破壞深度及位移等方面，因此對(duì)這兩方面進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 圍巖破壞Fig.4 Failure of surrounding rock

圖5 工作面頂板位移Fig.5 Roof displacement of working face

原注漿方案下注漿加固后頂板、煤壁處圍巖破壞深度分別為5.4 m 和4.7 m，使用深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)優(yōu)化處理后頂板、煤壁處圍巖的破壞深度縮小為1.0 m 和1.3 m 左右，塑性區(qū)破壞深度得到有效控制。

根據(jù)對(duì)不同注漿加固方案下工作面過(guò)斷層頂板下沉量的模擬看出，原方案下頂板下沉量為38 cm，深淺分帶剛?cè)狁詈献{加固技術(shù)應(yīng)用后頂板下沉量在6.5 cm 左右，采用優(yōu)化方案后工作面頂板圍巖屬性發(fā)生了顯著改善，淺部應(yīng)力也隨之消除。

4 應(yīng)用效果

按照深淺分帶剛?cè)狁詈献{施工要求進(jìn)行六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷過(guò)斷層頂板支護(hù)處理，按照要求設(shè)置綜合礦壓觀測(cè)站對(duì)工作面煤壁以及頂板可能發(fā)生的位移情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與原注漿方案位移值進(jìn)行比較，具體見(jiàn)表2 和表3。

表2 頂板移近量觀測(cè)結(jié)果比較Table 2 Roof convergence observation results comparison

表3 煤壁移近量觀測(cè)結(jié)果比較Table 3 Comparison of observation results of coal wall displacement

根據(jù)表2、表3 可知，在采取支護(hù)方案支護(hù)30 d 后工作面過(guò)斷層頂板和煤壁移近量逐漸趨于穩(wěn)定，原方案下頂板移近量穩(wěn)定在350 mm 左右，而采取深淺分帶剛?cè)狁詈献{施工技術(shù)后頂板移近量穩(wěn)定在60 mm 左右；原注漿方案下煤壁移近量為362.7 mm，而采取深淺分帶剛?cè)狁詈献{施工后煤壁移近量?jī)H為54.1 mm，降幅明顯。以上應(yīng)用結(jié)果的對(duì)比分析表明，深淺分帶剛?cè)狁詈献{施工技術(shù)應(yīng)用后，煤巷工作面過(guò)斷層片幫及冒頂問(wèn)題均能得到有效解決，圍巖穩(wěn)定性顯著提高。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于過(guò)斷層掘進(jìn)工作面，如果支護(hù)形式不適用，將導(dǎo)致支護(hù)強(qiáng)度不足，無(wú)法有效控制工作面軟弱圍巖變形，引發(fā)大面積斷層區(qū)域失穩(wěn)、片幫及冒頂事故的發(fā)生。本文以長(zhǎng)平公司六盤(pán)區(qū)主運(yùn)巷為研究對(duì)象，針對(duì)該掘進(jìn)工作面過(guò)斷層原支護(hù)方案支護(hù)強(qiáng)度不足導(dǎo)致片幫、冒頂?shù)葐?wèn)題，提出深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)。通過(guò)FLAC3D 軟件對(duì)該新型注漿加固技術(shù)的應(yīng)用及加固效果進(jìn)行模擬分析，并應(yīng)用到工程實(shí)踐中?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)應(yīng)用后，煤巷工作面過(guò)斷層頂板移近量和煤壁移近量均明顯減小，解決了掘進(jìn)工作面過(guò)斷層頂板片幫、冒頂?shù)葐?wèn)題，保障了工作面開(kāi)采安全。