石炭井焦煤公司2874工作面機巷過斷層期間加固方案研究

楊廷民

摘 要：石炭井焦煤公司在2874工作面機巷掘進時揭露DF5斷層，該斷層從上組煤一直發育到下組煤，斷層落差18m，受DF5正斷層及其派生構造影響，2874工作面機巷圍巖極為破碎，圍巖整體的抗拉、抗壓強度極弱，而且由于受到DF5斷層形成的構造高構造應力影響，巷道內圍巖變形強烈，巷道底鼓兩幫內縮變形嚴重，經常發生頂部錨索被剪應力剪短，如不采取新的有效支護技術措施，圍巖塑性破裂區還會在構造應力的嚴重影響下，繼續剪切擴容，嚴重影響工作面掘進及安全生產。

關鍵詞：DF5斷層；巷道嚴重變形；圍巖注漿加固技術

1 概況

2874綜采工作面位于石炭井焦煤公司三水平二階段北翼采區內，工作面開采8層煤，為簡單結構的中厚煤層，不含夾矸，掘進范圍內煤層沉積穩定，煤層屬光亮型，條痕為黑色，是煉焦煤，根據Ⅵ勘探線205、206鉆孔和XV勘探線215鉆孔資料，煤層硫分為1.17-2.2%，平均產狀為：走向157°；傾向247°；傾角26°。八層煤直接頂板為石灰巖，灰黑色，塊狀，含黃鐵礦薄膜，致密、堅硬，裂隙由方解石充填；直接底板為細砂巖，灰黑色，水平層理，含云母碎屑和少量植物化石。該工作面在掘進過程中，揭露多條斷層，特別是DF5斷層對該工作面影響很大，落差18m，該斷層從上組煤發育到下組煤，是對北翼采區回采影響最大的斷層。

2 掘進期間巷道圍巖變化情況

2874綜采機巷在掘進期間首先在DF5正斷層下盤掘進，從開口位置開始，圍巖應力變現顯著，頂板下沉達1.1m，兩幫內移量接近2.3m，整體巷道收斂量增大。造成掘進施工進入“前掘后架”非良性循環狀態，不僅嚴重影響掘進施工，還增加了掘巷成本，使掘進生產陷入非常被動局面。其狀況有以下幾點：現場勘察表明，10天內頂板下沉30mm，兩幫內擠更趨嚴重，在施工第10天位移量達300mm。針對此情況礦也相應更改措施，采取滯后架工字鋼接頂，雖有緩解，但不能有效解決問題。如左幫棚腿處內移顯現，導致棚腿彎曲變形，并伴有剪脹滑移內凸現象。 巷道頂部的下沉嚴重，巷道頂板由原來的圓弧狀變為了平頂狀，巷內底鼓強烈，巷底在施工機具漏水浸泡侵蝕作用下，導致煤巖崩解、潰散造成嚴重膨脹變形，底板塑性區擴容膨漲，底鼓明顯。巷道隨著掘進進尺的延伸，如不采取有效支護技術措施，圍巖塑性破裂區還會在構造應力的嚴重影響下，繼續剪切擴容，松動圈將進一步擴大。礦針對2874綜采機巷掘進出現的情況，也及時更改措施，盡管在支護方式上先后采用了“斜矩形”、“直墻拱頂形”和“三心拱形”、滯后架工字鋼棚接頂充填，調整錨桿、錨索長度，增加強度與剛度，確保巷道成型穩定，從觀察有所緩解，但從長效機制看，此類支護方式仍不能根本上解決巷道收斂量較大的問題。

3 更換支護方式的研究

針對2874綜采機巷掘進工作面受到斷層構造帶切割破壞、巷道圍巖破碎、松散的特點，應當視巷道內巖體被斷層破壞的情況進行注漿加固，對已經破碎和松散的煤巖體進行注漿加固，提高破碎煤巖體的膠結能力、強度與內聚力和內摩擦角，增強巖體強度、剛度、支護結構的穩定性，進一步增強支護阻力控制煤巖層里層、滑動以及塑性變形。通過對圍巖注漿加固，提高巖體抗壓、抗拉強度，并使之成為支護結構中的一部份，擴大支護補償能量，提高巷道支護自穩能力和承載力。

4 技術支撐路徑

錨索網注聯合支護可以控制錨固區煤巖層滑動、離層、裂隙張大、新裂隙產生等嚴重變形及破壞，抑制圍巖的變形增大通過采取注漿加固巖體抗壓強度，增強巖體內聚力和彈模與磨擦力，最大程度的保證了錨固區圍巖的整體完好性，減小錨固區煤巖層強度的降低，使圍巖成為了抗壓抗拉的主體。錨固范圍內形成了預應力較大的承載支護結構，防止了錨固區外煤巖層發生離層破壞與煤體塑性區的擴容發展。同時對深部煤巖層應力的發展起到了控制作用。錨索預應力的擴散對巷道的支護效果起到決定性作用，根據巷道受斷層影響情況確定合理錨索的預應力，并使錨索預應力有效進行擴散是支護設計的關鍵一環，按照要求錨索預應力應設計在抗拉強度的50%。其次，通過其它支護構件，如金屬網、M鋼帶、鋼梁、形成完整的支護結構，將預應力傳遞到深部巖層中，才能有效的控制頂板的離層和沉降。增強斷層破碎巷道的支護強度，即使巷道需要錨固區沒有產生明顯的離層和拉應力所需要達到的支護強度，也需要保持合理組作的支護阻力。巷道內支護系統的支護強度長期小于巷道臨界支護強度，巷道內煤巖層也將長期處于逐漸變形的不穩定狀態。如果支護系統的強度能夠達到或者超過巷道臨界支護需要的強度，巷道內煤巖層變形將得到有效控制，巷道將長期處于穩定狀態。支護強度的關鍵影響因素是巷道內錨桿錨索預應力的強弱。

錨網索注噴支護對巷道深部煤巖層的影響：巷道內受斷層破壞彈性變形及峰值強度之前的錨固區變形控制作用并不是特別明顯，但是考慮到支護結構上要求的支護系統所應有的足夠的延伸率及連續變形壓力需要得到釋放。在適應巷道圍巖不斷變形過程中，要求巷道錨網索支護必須有較高的抗拉強度與耐沖擊性，因此必須通過注漿與噴漿提高頂板巖性和煤體抗壓強度，和巷道護表強度，確保巷道巖層整體的穩定。

巷道內支護錨索徑向應力將錨桿形成的支護承載體育巷道深部圍巖體相連，形成巷道整體穩定的支護結構，進一步發揮了深部圍巖的承載作用，使更大范圍的巖體承載巷道的壓力破壞，減小了局部承載力過重的問題；其次由于錨索施加了更大的徑向應力，給巷道圍巖提供了壓應力，同其他支護方法結合組合成骨架狀結構，主動進行巷道支護，保持巷道圍巖整體穩定性。

中空注漿錨索：注漿錨索的發揮了錨與注的獨特作用，實現發先錨后注，錨注一體，固結成梁，膠結成拱。新式中空注漿錨索注漿之后，漿液滲入松散破碎的圍巖，將周圍松散破碎的圍巖與煤體膠結成一個整體，進一步提高了煤巖層強度，最終實現利用圍巖本身作為巷道支護結構的一部分；且與原巖統一成一個整體，使巷道能夠保持穩定而不產生大的變形破壞。

中空錨注漿錨桿技術可以利用其自身較“短”的優勢，在兩幫直墻設計安裝中空注漿錨桿，封堵巖石裂隙、隔絕空氣，防止圍風化，并將周圍松散破碎煤巖體膠結成一塊，從而提高了巖體的彈性模量及內聚力。

配合常規的錨噴支護形成多層有效的組合拱，擴大了巷道內支護結構所承載的范圍，大大提高了支護結構的整體承載能力，從而提高了巷道圍巖的力學性能，改善圍巖的受力狀態。

5 圍巖注漿加固技術運用與效果

提高巷道內破碎煤巖體的支護強度，利用注漿錨索內的漿液充填巷道內圍巖體的裂隙，將碎裂的圍巖固結起來，使碎裂的圍巖體內塊體粘結成統一的整體結構，同時通過中空注漿技術使原破裂塊體由原先的單向或雙向受力的狀態改變為三向受力狀態，從而進一步提高了碎裂巖體殘余強度和改善了其自身的力學性能。注漿錨索向圍巖中注漿，也使得注漿錨索本身由原先的端部錨固變為全長錨固，從而大大提高了錨索的錨固能力以及錨固體的強度，同時對巷道圍巖的承載能力有增大作用，提高了巷道支護結構的整體性，保證了巷道圍巖的穩固。

6 結束語

煤巖體注漿封堵技術可以有效防止斷層附近流水通道，隔離巷道內流水防止淋水對巷道煤巖體的軟化侵蝕，風化作用對巷道圍巖的強度也能造成較大的損失，圍巖注漿后進行裂隙封堵，可以有效方式煤巖體發生風化。工作面在采用中空注漿錨索技術后，巷道變形量顯著減小，2874機巷逐漸穿過DF5斷層影響區域，從后續巷道頂板壓力觀測來看，支護方式有效可靠。

參考文獻

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