掘進(jìn)巷道斷層構(gòu)造治理技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐

陳黎明

（山東能源集團(tuán)云鼎科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 概況

南屯煤礦7329 工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)鄰近已回采工作面實(shí)際揭露，工作面回采區(qū)域預(yù)計(jì)揭露4 條斷層，分別 是Fv-7（110 ° ∠70 °H=5.1 m）正 斷 層、3TF-1（189 ° ∠65 °H=2.0 m）正 斷 層、3TF-2（280 ° ∠30 °H=2.50 m）正 斷 層 及3TF-2（290°∠70°H=4.0 m）正斷層。其中三條斷層預(yù)計(jì)在膠帶順槽揭露，一條斷層預(yù)計(jì)在軌道順槽揭露。

2 斷層構(gòu)造影響分析

受斷層構(gòu)造影響區(qū)域，煤層及上覆巖層完整性遭到破壞。在斷層構(gòu)造影響區(qū)域進(jìn)入采掘擾動(dòng)范圍后，受采掘擾動(dòng)影響，煤層直接頂及以上巖層進(jìn)一步破壞，增大施工期間頂板及煤壁管理難度。掘進(jìn)工作面首次揭露斷層構(gòu)造時(shí)，煤體的切割擾動(dòng)使得構(gòu)造應(yīng)力得以釋放，導(dǎo)致掘進(jìn)迎頭煤體片幫、頂板漏冒，難以進(jìn)行支護(hù)，增大施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)[1]?；夭晒ぷ鹘衣稊鄬訒r(shí)，斷層構(gòu)造使得煤層頂板在液壓支架頂梁前端即開(kāi)始下沉、垮落，導(dǎo)致液壓支架頂梁不能對(duì)巖層進(jìn)行有效支撐，煤層頂板在失去有效支撐后，破碎冒落會(huì)進(jìn)一步加劇，從而形成頂板破碎、支護(hù)失效、頂板破碎加劇的惡性循環(huán)。斷層構(gòu)造的存在，還會(huì)影響巷道應(yīng)力分布，使得采煤工作面的超前支承壓力影響范圍和壓力峰值區(qū)發(fā)生變化[2]，給采煤工作面兩巷超前支護(hù)工作帶來(lái)一定困難。采動(dòng)影響下斷層對(duì)工作面支承壓力的數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)工作面從斷層下盤(pán)向斷層面推進(jìn)時(shí)，會(huì)在工作面和斷層間的煤柱造成加壓效應(yīng)，產(chǎn)生較高的應(yīng)力集中[3]區(qū)。應(yīng)力集中在煤巖體中，使得煤巖體產(chǎn)生應(yīng)變的同時(shí)積聚大量的彈性能，彈性能集聚達(dá)到煤巖體的承載極限后緩慢釋放會(huì)導(dǎo)致井巷發(fā)生形變，表現(xiàn)為巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平?，變形量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致巷道的部分功能喪失[4]，帶來(lái)大量的巷道擴(kuò)修工程量。

圖1 斷層構(gòu)造影響區(qū)域應(yīng)力及應(yīng)變情況

3 針對(duì)性治理措施

斷層構(gòu)造對(duì)掘進(jìn)工作面的影響，一方面是由于構(gòu)造應(yīng)力的釋放，掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)明顯，掘進(jìn)施工困難。另一方面是由于斷層構(gòu)造導(dǎo)致煤體及頂板的完整性遭到破壞，無(wú)法進(jìn)行有效支護(hù)?；谝陨戏治?，對(duì)斷層構(gòu)造的治理目的，一是要解決斷層構(gòu)造影響區(qū)域的煤巖完整性問(wèn)題，二是要確保斷層構(gòu)造影響區(qū)域的支護(hù)體系在構(gòu)造應(yīng)力釋放時(shí)，能對(duì)應(yīng)力釋放區(qū)域進(jìn)行可靠有效支護(hù)。注漿加固措施是通過(guò)對(duì)斷層構(gòu)造影響區(qū)域進(jìn)行注漿，漿液通過(guò)構(gòu)造裂隙擴(kuò)散，充滿構(gòu)造裂隙，待漿液凝固后，將破碎煤巖體固化成整體，增大煤巖體的完整性和連續(xù)性，從而確保支護(hù)體系的可靠性。

3.1 注漿加固

3.1.1 注漿施工參數(shù)

巷道掘進(jìn)期間，根據(jù)地質(zhì)探測(cè)結(jié)果，結(jié)合掘進(jìn)施工實(shí)際揭露情況，當(dāng)進(jìn)入斷層構(gòu)造影響區(qū)域后，開(kāi)始對(duì)斷層構(gòu)造影響區(qū)域巷道頂板和兩幫進(jìn)行注漿加固。注漿順序?yàn)橄葞筒亢箜敯?，幫部注漿為先下部后上部，頂板注漿由兩側(cè)向中間進(jìn)行施工。

注漿孔徑32 mm，間排距為2000 mm×2000 mm，頂板注漿孔深為4.0 mm，幫部孔深6.0 m。其中幫部孔一組布置2 個(gè)，上部距頂板0.8 m，以20°傾角斜向上，下部孔與上部孔間距2.0 m，水平布置，垂直于煤壁施工。頂板注漿孔一組布置3個(gè)，巷道中心線布置1 個(gè)，兩側(cè)對(duì)稱間距2.0 mm 各布置1 個(gè)，兩側(cè)注漿孔以30°傾角斜向上，孔深4.0 m。注漿管由2 根6 分鐵管組成，每根鐵管長(zhǎng)度3.5 m，注漿孔安設(shè)帶有球形截止閥的注漿管，注漿管末端設(shè)花管，注漿管全長(zhǎng)裝入注漿孔內(nèi)，只外露球形截止閥及以外部分，孔口設(shè)置防脫裝置并纏繞麻絲固定于鉆孔內(nèi)。如圖2。

圖2 注漿套管剖面圖（mm）

3.1.2 注漿材料

注漿材料需要有較好的粘結(jié)性能和較高的強(qiáng)度，能夠在增大破碎煤巖體的完整性和連續(xù)性的同時(shí)，提高煤巖體的強(qiáng)度。注漿材料通過(guò)裂隙擴(kuò)散后，能與原有支護(hù)體系融合，實(shí)現(xiàn)原有支護(hù)體系的全長(zhǎng)錨固。基于以上要求，最終選擇MZM-70 型高強(qiáng)無(wú)機(jī)錨固料，該錨固材料具有漿液稠度高、硬化不收縮、微膨脹、靜止觸變性好、初凝時(shí)間短、注漿時(shí)間可控的特點(diǎn)，漿液受擾動(dòng)即會(huì)液化流動(dòng)，停泵即可停漿，錨固料不會(huì)從破碎巖體內(nèi)流出，有利于破碎巖體充填密實(shí)，保障支護(hù)及時(shí)有效。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，注漿施工1 d 后抗壓強(qiáng)度可超過(guò)25 MPa，一個(gè)月后抗壓強(qiáng)度可超過(guò)70 MPa。漿液配比表見(jiàn)表1。

表1 漿液配比表

3.1.3 注漿施工工藝及方法

注漿工藝：漿液攪拌站→吸漿管路→注漿泵→注漿管路→注漿閥→預(yù)設(shè)管→圍巖裂隙。

注漿方法：首先通過(guò)高壓風(fēng)對(duì)注漿管路進(jìn)行吹風(fēng)，清洗管內(nèi)煤粉及其他雜物，保證注漿管路暢通。為保證注漿效果，需選擇合理注漿泵出口壓力，壓力過(guò)大，對(duì)注漿系統(tǒng)管路抗壓能力要求高，注漿過(guò)程中容易出現(xiàn)漏漿、跑漿，注漿壓力小，注漿速度慢，影響施工進(jìn)度。綜合考慮，最終確定注漿泵出口壓力為7 MPa。漿液準(zhǔn)備：首先在攪拌桶內(nèi)加入一定量清水，然后按配比緩慢加入錨固料，邊加錨固料邊不斷攪拌，促使錨固料與清水充分接觸，待錨固料加完成后仍需不斷攪拌10 min 以上，促進(jìn)錨固料充分溶解。錨固料充分溶解后采用注漿設(shè)備進(jìn)行注漿施工。當(dāng)漿液從圍巖鉆孔或裂隙中流出，說(shuō)明注漿完成，即可停止注漿，進(jìn)入下一注漿孔施工工序。

3.2 加強(qiáng)斷層構(gòu)造區(qū)域的支護(hù)

73下29 巷道采用錨網(wǎng)+鋼帶+錨索的主動(dòng)支護(hù)形式，斷層構(gòu)造區(qū)域?qū)鄬訕?gòu)造對(duì)支護(hù)體系的影響，納入支護(hù)體系計(jì)算考量參數(shù)。通過(guò)計(jì)算，確定支護(hù)錨桿及錨索的合理長(zhǎng)度及支護(hù)間排距，以確保支護(hù)體系強(qiáng)度滿足巷道使用需求。

1）錨桿（索）參數(shù)計(jì)算

① 冒落拱高度計(jì)算

式中：H為冒落拱高度；B為巷道寬度，取3.5 m；f為頂板巖層硬度，斷層影響構(gòu)造區(qū)域取1.5。

經(jīng)計(jì)算斷層構(gòu)造影響區(qū)域冒落拱高度為1.2 m。

② 頂板錨桿長(zhǎng)度

式中：H為冒落拱高度，斷層構(gòu)造影響區(qū)域取1.2 m；K為安全系數(shù)，取1.5 m；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，取0.5 m；L2為外漏長(zhǎng)度，取0.1 m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終確定斷層構(gòu)造支護(hù)錨桿長(zhǎng)度為2.5 m。

2）頂部錨索

式中：L索為頂板錨索長(zhǎng)度；L1為錨索深入穩(wěn)定巖層錨固長(zhǎng)度，取2 m；L2為需要吊掛不穩(wěn)定巖層厚度，取4.5 m；L3為錨索外露長(zhǎng)度，取0.2 m。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終確定斷層構(gòu)造影響區(qū)域頂板支護(hù)錨索長(zhǎng)度7.2 m。

3）錨桿間排距計(jì)算

式中：Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，取70 kN；K為安全系數(shù)，取2；H為冒落拱高度，取1.2；r為懸吊巖石及煤的厚度比例加權(quán)比重，取26。

經(jīng)過(guò)計(jì)算最終確定斷層構(gòu)造影響區(qū)域頂部錨桿間排距由1000 mm×1000 mm 縮小至900 mm×900 mm，巷道幫部錨桿間排距1000 mm×900 mm。采用屈服強(qiáng)度500 MPa 的左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm，設(shè)計(jì)錨固力190 kN,預(yù)緊力矩300 N·m。幫部采用屈服強(qiáng)度500 MPa 的左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼樹(shù)脂錨桿，規(guī)格為Φ20 mm×2400 mm,設(shè)計(jì)錨固力160 kN，預(yù)緊力矩300 N·m；頂部錨桿配合鋼帶支護(hù)，使用Q235A鋼板加工的長(zhǎng)×寬×厚為150 mm×150 mm×10 mm 蝶形托盤(pán)，中間鉆Φ26 mm 的孔；幫部使用Q235A 鋼板加工的長(zhǎng)×寬×厚為150 mm×150 mm×10 mm 的蝶形托盤(pán)，中間鉆Φ26 mm 孔。頂板錨索采用SKP22/1×19S/1860 礦用錨索及配套鎖具，錨索長(zhǎng)度7200 mm，設(shè)計(jì)錨固力230 kN,預(yù)緊力200 kN。錨索間距1600 mm，排距1600 mm，錨索布置在相鄰四根錨桿之間，錨索配套使用Q345鋼板加工的長(zhǎng)×寬×厚為300 mm×300 mm×16 mm 蝶形托盤(pán)，中間鉆Φ26 mm 孔。斷層區(qū)域支護(hù)設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 斷層區(qū)域支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

4 結(jié)論

經(jīng)注漿加固，解決構(gòu)造影響區(qū)域煤體完整性差問(wèn)題，經(jīng)過(guò)充分分析斷層構(gòu)造影響，確定斷層構(gòu)造影響區(qū)域煤層及頂板破碎松動(dòng)范圍，確定錨桿（索）長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)，最終解決斷層構(gòu)造影響區(qū)域支護(hù)困難、支護(hù)效果差的問(wèn)題。為驗(yàn)證治理效果，在斷層構(gòu)造影響區(qū)域設(shè)置了兩組礦壓觀測(cè)點(diǎn)，巷道掘進(jìn)施工完畢后，斷層構(gòu)造影響區(qū)域頂板最大下沉量為100 mm，兩幫最大移近量為230 mm，均在可控范圍內(nèi)，說(shuō)明該區(qū)域頂板及煤體經(jīng)注漿加固及強(qiáng)化支護(hù)后，完整性得到保證，能對(duì)上覆巖層進(jìn)行有效支撐，工作面回采期間，通過(guò)該區(qū)域未發(fā)生頂板冒落事故，煤體片幫也得到緩解，取得預(yù)期效果。