下霍礦大斷面大跨度切眼過(guò)斷層支護(hù)技術(shù)探討

崔浩東

（山西三元煤業(yè)股份有限公司下霍煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

目前，工程人員已經(jīng)對(duì)采煤工作面切眼掘進(jìn)、支護(hù)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，劉世峰等人[1]針對(duì)厚沖擊層薄基巖地質(zhì)情況下大斷面開切眼問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出采用組合注漿錨桿支護(hù)措施對(duì)切眼進(jìn)行錨固，提高支護(hù)強(qiáng)度；趙瑤[2]提出軟厚煤層大斷面切眼采取超前支護(hù)措施，支護(hù)效果較好；丁國(guó)峰[3]等人對(duì)大跨度切眼斷面圍巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)圍巖不穩(wěn)定因素進(jìn)行了分析，提出大跨度切眼需要增加1.5倍支護(hù)強(qiáng)度，斷面中部須進(jìn)行錨桿加密施工設(shè)計(jì)；其他專家學(xué)者分別針對(duì)大傾角斷面、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域斷面及深部開采斷面等不同情況切眼掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究[4-6]。以下霍礦二采區(qū)2305切眼掘進(jìn)支護(hù)為背景，對(duì)切眼掘進(jìn)后圍巖演化規(guī)律進(jìn)行了模擬研究，并結(jié)合目前先進(jìn)工程技術(shù)提出了綜合支護(hù)方案。

1 工程概況

2305工作面開采3#煤層，走向長(zhǎng)度1 200 m，傾斜長(zhǎng)度261 m，平均埋深572 m，南側(cè)、北側(cè)、西側(cè)均為實(shí)體煤，東側(cè)為2303工作面采空區(qū)，兩個(gè)工作面之間預(yù)留煤柱60 m。3#煤層平均厚度5 m，煤層傾角0°～6°，硬度0.4，煤層無(wú)瓦斯突出危險(xiǎn)性。煤層頂板以粉砂巖為主，平均厚度7 m，煤層底板以泥巖為主，平均厚度3 m。直接充水水源為頂板砂巖裂隙水，單位涌水量約為0.007 L/s。采面位于奧灰水承壓范圍內(nèi)，煤層底板距離承壓區(qū)110 m，無(wú)構(gòu)造破壞便不構(gòu)成水害危險(xiǎn)性。切眼掘進(jìn)會(huì)揭露FD34正斷層，斷距15 m，傾角50°，落差3.8 m，斷層會(huì)形成巖層破碎帶。2305切眼設(shè)計(jì)斷面為矩形斷面，寬度8.5 m，高度3 m。

2 圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究

2305切眼位置掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到FD34斷層。斷層構(gòu)造周邊巖體比較破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，支護(hù)措施強(qiáng)度不足必然導(dǎo)致頂板垮落，為后期工作面支架安裝造成安全隱患。為保證斷層構(gòu)造區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度足夠，現(xiàn)對(duì)斷層區(qū)域圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2305切眼平均埋深572 m，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算公式的區(qū)域最大主應(yīng)力21.52 MPa，最小主應(yīng)力12.67 MPa。為確定切眼位置主應(yīng)力大小，采用KX-81型空心包體三軸地應(yīng)力計(jì)對(duì)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)備中，主體結(jié)構(gòu)為壁厚為3 mm的空腔套環(huán)，套環(huán)周圍布置電阻應(yīng)變花，電阻應(yīng)變花沿著套環(huán)壁均勻布置3個(gè)，環(huán)形平均分布。整個(gè)設(shè)備安裝在鉆孔內(nèi)部，通過(guò)解算測(cè)試的應(yīng)變量分析地應(yīng)力大小。在2305切眼位置布置3個(gè)?50 mm鉆孔，通過(guò)解算測(cè)得3個(gè)鉆孔的應(yīng)力分別是20.76 MPa、20.13 MPa、20.98 MPa，地應(yīng)力取3個(gè)量平均值，即地應(yīng)力參數(shù)取20.62 MPa。

圖1 KX-81型空心包體三軸地應(yīng)力計(jì)結(jié)構(gòu)

分別在頂板、底板、煤層取樣本，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 2305切眼圍巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)2305切眼位置測(cè)得的地應(yīng)力大小和圍巖應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算，采用軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行模擬研究，假設(shè)頂板、底板以及煤巖體為均勻介質(zhì)，不考慮巖體中水介質(zhì)、瓦斯氣體介質(zhì)滲流作用，建立幾何模型如圖2所示。

建立的數(shù)值模型基于有限元理論，模擬介質(zhì)在彈性范圍內(nèi)的位移量。采用軟件中固體應(yīng)力彈性形變模型，模型頂板載荷為20.62 MPa，模型頂部、左右邊均為固定約束，通過(guò)運(yùn)算得到30 d時(shí)巷道圍巖形變?cè)茍D如圖3所示。

圖2 幾何模型

圖3 圍巖位移分布云圖

根據(jù)圖2可知，在頂板應(yīng)力載荷下，2305切眼位于斷層下盤側(cè)出現(xiàn)的位移量比較大，最大位移量為300 mm，且2305切眼右?guī)臀恢?、右?guī)蛡?cè)底板均出現(xiàn)位移量比較大的現(xiàn)象。切眼位置頂板上部斷層區(qū)域周邊出現(xiàn)位移大的現(xiàn)象，最大位移量240 mm。綜合分析，2305切眼位置以及右?guī)臀恢么嬖趪?yán)重破碎現(xiàn)象，頂板斷層區(qū)域存在破碎現(xiàn)象，破碎帶主要分布在斷層下盤位置區(qū)域。采用傳統(tǒng)錨固支護(hù)措施直接應(yīng)用在這種特殊地質(zhì)區(qū)域必然會(huì)發(fā)生支護(hù)失穩(wěn)現(xiàn)象。

3 切眼支護(hù)措施及考察

根據(jù)數(shù)值模擬運(yùn)算結(jié)果可知，2305切眼頂板巖層在斷層構(gòu)造區(qū)域出現(xiàn)破碎導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)。為解決以上問(wèn)題，首先需要對(duì)斷層區(qū)域?qū)嵤└男源胧缓筮M(jìn)行支護(hù)。改性措施主要目的是增強(qiáng)斷層區(qū)域圍巖的整體性，因此可以通過(guò)對(duì)斷層區(qū)域預(yù)注漿和超前支護(hù)措施提高斷層區(qū)域圍巖穩(wěn)定性。

3.1 支護(hù)措施

根據(jù)2305切眼位置通過(guò)FD34斷層過(guò)程中圍巖分析情況，制定支護(hù)措施具體如下：

（1）斷層區(qū)域注漿。通過(guò)對(duì)斷層區(qū)域注入一定黏度水泥漿，將斷層區(qū)域破碎巖體進(jìn)行固化，形成整體頂板；注漿作業(yè)選用ZBQ-8/10礦用氣動(dòng)注漿泵，井下拌水泥漿液，水灰比1∶1.7，采用硅酸鹽水泥，水泥漿中加入速凝劑。在距離斷層60 m位置點(diǎn)施工鉆孔，孔徑?80 mm，直接施工到2305切眼斷面輪廓線通過(guò)斷層位置上部豎向0～20 m范圍區(qū)間，施工鉆孔8個(gè)，注漿至壓力穩(wěn)定在6 MPa，持續(xù)穩(wěn)定15 min為注漿達(dá)標(biāo)指標(biāo)。

（2）超前支護(hù)。巷道掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行管棚超前支護(hù)。管棚為普通鋼管，鋼管平均分布在巷道輪廓線周邊即可。

（3）錨桿支護(hù)。錨桿支護(hù)采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)措施，支護(hù)方式如圖4所示。

圖4 支護(hù)措施事宜

3.2 效果考察

通過(guò)以上改性措施、超前支護(hù)、錨桿支護(hù)措施實(shí)施完成后，對(duì)斷層構(gòu)造區(qū)域頂板變形量進(jìn)行效果考察，在該區(qū)域安裝頂板離層儀，對(duì)頂板離層儀數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，觀測(cè)周期為14 d，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 頂板位移觀測(cè)曲線

根據(jù)圖4可知，2305切眼位置通過(guò)FD34斷層過(guò)程中，實(shí)施完成以上措施后，14 d內(nèi)深部最大位移量50 mm，穩(wěn)定時(shí)間點(diǎn)為第8天，第8天后頂板位移量未增加；淺部最大位移量為15 mm，穩(wěn)定時(shí)間點(diǎn)為第9天，第9天后頂板淺部位移量未增加。

綜合分析，頂板深部、淺部位移量均較小，整體支護(hù)措施效果明顯。現(xiàn)場(chǎng)頂板未出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

下霍礦2305切眼掘進(jìn)最大安全風(fēng)險(xiǎn)為過(guò)FD34斷層頂板支護(hù)。通過(guò)數(shù)值模擬，2305切眼掘進(jìn)過(guò)FD34斷層頂板、右?guī)妥畲笪灰屏?00 mm，位移量比較大。過(guò)斷層區(qū)域采取注漿改性措施、管棚超前支護(hù)、錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，頂板深部最大變形量50 mm，綜合措施效果明顯。