長平公司二盤區(qū)膠輪車大巷過斷層圍巖控制技術(shù)研究

王三紅

（晉煤集團長平公司，山西 晉城 048400）

1 工程概況

晉煤集團長平公司目前主采3#煤，3#煤層厚5.62m，中間有0.23m的夾矸，垂直節(jié)理發(fā)育，條帶狀結(jié)構(gòu)，夾矸為泥巖煤層傾角4～7°，平均5°，屬近水平煤層。目前由該礦礦建五隊進行二盤區(qū)膠輪車大巷的掘進作業(yè)，巷道凈寬5.4m，凈高3.8m，采用高強度錨桿、W鋼護板、錨索、金屬網(wǎng)、聯(lián)合支護。巷道掘進到45m處時，巷道揭露斷層擴SF32正斷層延伸段，該斷層走向54°，傾向144°，傾角85°，斷距12m。該斷層對掘進作業(yè)影響程度極大。

2 圍巖破壞特征分析

2.1 斷層圍巖的數(shù)值模擬

根據(jù)長平公司二盤區(qū)膠輪車大巷上覆巖層的物理力學(xué)參數(shù)，同時借鑒類似情況掘進工作面過斷層的經(jīng)驗[1-2]，通過Flac3D軟件建立二盤區(qū)膠輪車大巷連續(xù)掘進模型研究斷層對二盤區(qū)膠輪車大巷掘進過程中圍巖變形破壞特性的影響，二盤區(qū)膠輪車大巷設(shè)計斷面形狀為半圓拱形，巷道設(shè)計凈寬5.4m，凈高3.8m。建立的模型高為50m，寬為50m，長為70m，且在模型底部邊界及四周施加位移約束，模型上覆施加的載荷為。

2.2 推進方案

數(shù)值模擬中二盤區(qū)膠輪車大巷掘進工作面分3步開挖60m。第一步掘進工作面開挖15m，距SF32斷層約15m；第二步掘進工作面開挖30m，此時掘進工作面到達斷層處；第三步掘進工作面開挖60m，此時掘進工作面推過斷層約18m。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

模型的初始應(yīng)力平衡后，分3個階段對模型開挖，模擬巷道通過斷層前，通過斷層時及通過斷層后的圍巖塑性區(qū)分布特征和應(yīng)力變化特征。

圖1 掘進工作面開挖15m時圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖

掘進工作面開挖15m時圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖如圖1所示，此時巷道距SF32斷層還有15m。觀察圖1（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了應(yīng)力集中系數(shù)為1.25的水平應(yīng)力集中區(qū)；在巷道兩幫出現(xiàn)了應(yīng)力集中系數(shù)為1.63的垂直應(yīng)力集中區(qū)。在此應(yīng)力影響下，巷道產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)域如圖1（c）所示，如圖所示頂板的塑性區(qū)范圍約1m，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍的最大值約2m，底板的塑性區(qū)范圍約1.5m。在這一階段，巷道的圍巖活動不受到斷層破碎帶的影響，即巷道處于SF32斷層的影響范圍外。

圖2 為掘進工作面開挖30m遭遇SF32斷層時圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖。觀察圖2（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)受斷層影響，巷道頂板的水平應(yīng)力集中區(qū)范圍明顯擴大且應(yīng)力集中系數(shù)升高到1.46，但是巷道兩幫的垂直應(yīng)力集中區(qū)消失，即巷道不存在垂直應(yīng)力。觀察圖2（c）發(fā)現(xiàn)巷道在揭露SF32斷層時，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍增加至6m左右，巷道底板破壞嚴重，底板的塑性區(qū)范圍增大至4m。因此在巷道掘進通過SF32斷層時需要進行補強支護，以保證巷道的正常安全掘進。

掘進工作面開挖60m時圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖如圖3所示，此時巷道掘進面推過SF32斷層約18m。觀察圖3（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)巷道掘進工作面在推過斷層后，巷道頂?shù)装宄霈F(xiàn)了水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且距離斷層越遠，巷道所受垂直應(yīng)力越大，在斷層中間的位置上所受垂直應(yīng)力較小。掘進工作面推過斷層后，巷道塑性區(qū)范圍與開挖15m時基本相同，巷道圍巖活動只受掘進影響。

綜上，巷道掘進工作面在接露SF32斷層時破碎帶附近時，巷道兩幫的塑性區(qū)范圍增加至6m左右，約為未遭遇斷層時的3倍；巷道底板破壞嚴重且底板的塑性區(qū)范圍增大至4m，約為未遭遇斷層時的2.6倍。因此在巷道掘進通過SF32斷層時需要進行補強支護來控制圍巖變形，以保證巷道的正常安全掘進。

圖3 掘進工作面開挖60m時圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)云圖

3 過斷層圍巖控制技術(shù)及效果

二盤區(qū)膠輪車大巷掘進過斷層時，受SF32斷層破碎帶的影響，需要進行巷道補強支護。初步設(shè)計為超前注漿加固巷道圍巖，再套拱形棚補強頂板支護，并補充原基礎(chǔ)支護的圍巖控制措施。

3.1 超前注漿加固[3]

在二盤區(qū)膠輪車大巷巷道掘進超前注漿的施工中，注漿漿液選取該礦應(yīng)用過的材料及配比，考慮錨桿排距及注漿加固后架設(shè)U型棚的排拒，設(shè)計注漿孔的排拒為1600m，深度為5500mm，并且在布置注漿孔時應(yīng)使兩個注漿孔內(nèi)注漿時，漿液的滲透距離有一定的重疊。具體注漿孔的布置如圖4所示。考慮到巷道日掘進量為4m，斷層斷距12m，因此設(shè)計超前注漿加固的范圍為5m，注漿加固的總長度為15m。超前注漿在巷道安全通過斷層后即停止施工。

圖4 巷道超前注漿注漿孔布置示意圖

根據(jù)二盤區(qū)膠輪車大巷超前注漿過SF32斷層現(xiàn)場施工情況，綜合考慮實際影響因素，選用長5000mm，外徑為40mm，內(nèi)徑為36mm的注漿管，每根注漿管端頭安裝一個球形閥用于連接注漿管路并控制漿液進出注漿管，注漿管端頭1500mm后布置6個孔徑為10mm的鉆孔。現(xiàn)場應(yīng)用錨桿鉆機進行注漿孔的鉆孔施工，注漿孔的孔口用棉紗及樹脂錨固劑進行封孔。巷道超前注漿的工藝流程為：①注漿材料的準備：將注漿泵、潤滑油、高壓軟管、U形卡、球閥、三通、注漿材料等運送至注漿施工地點，并檢查注漿泵能否正常工作。②連接高壓軟管與注漿泵：將吸液管與注漿泵連接后，分別放入相應(yīng)的漿液中，將高壓軟管與注漿泵連接，并將管路鋪送至注漿孔附近。③檢查球閥：檢查注漿管端頭球閥和三通處的球閥是否完好。④準備注漿：將三通與注漿管連接，開啟球閥后啟動注漿泵進行注漿作業(yè)。⑤清洗管路：每個注漿孔注漿完成后，為防止?jié){液在管路內(nèi)凝固堵死，將吸液管放入清水中，開啟注漿泵，清洗管路內(nèi)的漿液，高壓軟管另一端沖出清水后關(guān)閉注漿泵。⑥注漿過程中要觀察漿泵的壓力及注漿孔周圍的漏漿情況，及時進行封堵，現(xiàn)場施工中發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整，記錄注漿過程中每個注漿孔的材料消耗量。

3.2 套拱形棚補強

待巷道超前注漿加固穩(wěn)定后，進行巷道過斷層的掘進作業(yè)，并套拱形棚補強頂板支護來保證巷道掘進順利的通過SF32斷層，需要套拱形棚補強頂板支護的長度為15m。具體工藝流程為：架設(shè)臨時支護后進行敲幫問頂，確認安全后4人同時挖柱窩，并平整柱窩，隨后將拱形棚的棚腿豎起并用雙股的10號鐵絲進行固定；將拱形棚抬入工作面，將拱形棚的腿和拱形棚的梁扣合固定，用拉桿聯(lián)鎖棚腿及棚梁從而穩(wěn)固頂梁。為了保證拱形棚的穩(wěn)定性，須用雙股10號鐵絲將頂網(wǎng)與棚梁相連。背板、板梁間距為1.5m（背頂時，距巷道中心線550mm處開始進行背頂，即巷道中心線兩側(cè)各兩處；背幫時，從底板向上500mm處開始進行背幫，每幫背3處，間距1.5m），誤差不超過200mm。現(xiàn)場施工過程中，若采用頂四幫三無法將棚背緊、背實，則在適當?shù)奈恢迷黾酉鄳?yīng)數(shù)量的板梁及背板將棚背實。

3.3 圍巖控制效果

二盤區(qū)膠輪車大巷掘進過SF32斷層時采用超前注漿加固巷道圍巖，再套拱形棚補強頂板支護，并補充原基礎(chǔ)支護的圍巖控制措施后，順利通過該斷層，并且在過斷層后對斷層中部巷道的圍巖變形規(guī)律進行實測，結(jié)果如圖5所示。

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)：在巷道通過SF32斷層20天內(nèi)，斷層中部巷道圍巖表面位移量增勢較猛，過斷層20天后逐漸放緩并趨于穩(wěn)定。巷道趨于穩(wěn)定后，最終兩幫移近量約150mm，頂?shù)装逡平考s190mm，巷道的變形量控制在允許范圍內(nèi)，表明圍巖控制效果良好。在巷道剛通過斷層時巷道兩幫移近速度約為12mm/d，頂?shù)装逡平俾蕿?5mm/d，隨時間的推移，巷道圍巖的變形速率逐漸減小，在兩個月左右時穩(wěn)定在0.1mm/d，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

1）通過Flac3D軟件建立二盤區(qū)膠輪車大巷連續(xù)掘進模型研究斷層該大巷掘進過程中圍巖變形破壞特性的影響發(fā)現(xiàn)巷道掘進工作面在接露SF32斷層時破碎帶附近時，巷道底板破壞范圍約為未遭遇斷層時的2.6倍；巷道兩幫的塑性區(qū)范圍約為未遭遇斷層時的3倍且頂板破壞范圍較大。

2）在采取超前注漿加固巷道圍巖，再套拱形棚補強頂板支護，并補充原基礎(chǔ)支護的圍巖控制措施后，掘進工作面順利通過SF32斷層，并且巷道在通過斷層并趨于穩(wěn)定后，最終的巷道變形量控制在允許范圍內(nèi)，保證了掘進工作面順利通過斷層及后期工作面安全高效的回采。