厚煤層掘進(jìn)巷道斷層冒落區(qū)治理

李江飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)公司，山西 大同 037001）

1 概況

塔山煤礦5107 巷位于一盤(pán)區(qū)中部，東鄰正在掘進(jìn)巷道的8106 工作面，南為1070 回風(fēng)巷，西為實(shí)體煤，北至口泉鐵路保護(hù)煤柱。5107 巷上覆為同煤麻地灣煤礦侏羅系14、15 號(hào)層采空區(qū)，層間距290～320 m，蓋山厚度為326～494 m。5107 巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為2537 m，斷面為5.5 m×3.9 m。巷道掘進(jìn)煤層為3～5#合并煤層，煤層平均厚度11.91 m，煤層中含2～18 層夾矸，夾矸厚度0.30～2.74 m，平均1.35 m，巷道沿煤層底板平行掘進(jìn)。5107 巷采用EBZ260 型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，循環(huán)掘進(jìn)量0.8 m，巷道頂板采用“錨桿（索）+W 型鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)。

根據(jù)地測(cè)資料顯示，5107 巷掘進(jìn)區(qū)域以落差在3.5 m 以下的中小型斷層為主，5107 巷在掘進(jìn)過(guò)程中共計(jì)揭露6 條正斷層（F1～F6），目前F1、F2、F3 三條斷層已揭露，F(xiàn)4、F5、F6 三條斷層分別位于巷道582 m、1211 m、1981 m 處。其中F5、F6 兩條斷層平均落差為0.7 m，平均傾角為55°，對(duì)巷道影響較小；F4 斷層落差為2.4 m，傾角為62°，該斷層對(duì)巷道掘進(jìn)影響較大。

2 巷道掘進(jìn)現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

2.1 頂板破壞現(xiàn)象

目前5107 巷已掘進(jìn)578 m，距F4 斷層還剩4 m，頂板局部破碎，巷道頂板中部出現(xiàn)下沉，下沉量為0.12 m，隨著巷道不斷延伸，巷道頂板應(yīng)力加大。當(dāng)巷道掘進(jìn)至576 m 處時(shí)，巷道中部出現(xiàn)冒漏現(xiàn)象[1-5]，冒漏高度為0.7 m，冒漏區(qū)及附近頂板錨桿支護(hù)效果差。當(dāng)巷道掘進(jìn)至578 m 處時(shí)，頂板冒漏現(xiàn)象加重，最大冒漏高度達(dá)2.7 m，冒漏區(qū)成半橢圓狀，冒漏區(qū)頂板主要以硅化煤為主，煤體相對(duì)破碎，傳統(tǒng)錨桿（索）支護(hù)難度大。

2.2 斷層區(qū)頂板破碎機(jī)理

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察分析，認(rèn)為5107 巷的頂板冒落主要是由構(gòu)造應(yīng)力、煤質(zhì)以及支護(hù)強(qiáng)度三方面造成的。

（1）構(gòu)造應(yīng)力影響。5107 巷揭露的F4 斷層落差相對(duì)較大，巷道在掘進(jìn)前煤體應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，掘進(jìn)造成圍巖應(yīng)力向巷道內(nèi)釋放，造成圍巖破碎。巷道無(wú)地質(zhì)構(gòu)造影響情況下，通過(guò)對(duì)圍巖施工錨桿（索）支護(hù)加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，可以達(dá)到控制圍巖變形的目的。但當(dāng)巷道在揭露斷層前后時(shí)，斷層對(duì)巷道的破壞作用造成圍巖失穩(wěn)，加劇了圍巖破壞力度。

（2）頂板穩(wěn)定性差。5107 巷掘進(jìn)煤層屬于石炭系煤層，煤層厚度為11.91 m，煤層整體穩(wěn)定性相對(duì)較差，煤層內(nèi)夾雜多層泥巖。5107 巷頂煤厚度為8.0 m，受F4 斷層影響破壞了煤層連續(xù)穩(wěn)定性，斷層帶附近煤巖體裂隙發(fā)育，在斷層應(yīng)力作用下裂隙煤體擴(kuò)張破壞，巷道頂煤承載能力降低。

（3）支護(hù)強(qiáng)度低。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，5107巷冒漏區(qū)煤體在應(yīng)力剪切作用下破壞嚴(yán)重，且無(wú)法形成連續(xù)平整的頂板，原支護(hù)設(shè)計(jì)錨桿（索）支護(hù)在冒漏區(qū)頂板中錨固效果差，錨桿（索）無(wú)法對(duì)頂板施加預(yù)期的預(yù)應(yīng)力，支護(hù)效果差，支護(hù)難度大。

3 冒漏區(qū)頂板聯(lián)合治理技術(shù)

為了防止5107 巷冒漏區(qū)范圍擴(kuò)大，提高冒漏區(qū)頂板穩(wěn)定性，決定對(duì)冒漏區(qū)采取“注漿+人工假頂+超前管棚”聯(lián)合支護(hù)措施。

3.1 注漿

（1）注漿作用。通過(guò)注漿泵的高壓將注漿材料壓入破碎巖體裂隙帶內(nèi)，利用注漿液的滲透能力強(qiáng)、粘接效果好、固結(jié)體抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，使破碎煤體重組，提高煤體膠結(jié)穩(wěn)定性及抗壓強(qiáng)度，從而提高錨桿（索）支護(hù)強(qiáng)度。

（2）注漿材料選取。傳統(tǒng)注漿材料主要采用馬麗散雙液混合材料，該注漿材料雖然粘接效果好，但是成本費(fèi)用相對(duì)較高，一般成本價(jià)為2.85萬(wàn)元/t。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，決定采用“超細(xì)水泥－水玻璃漿液”混合注漿液。該注漿液主要由超細(xì)水泥與水玻璃漿液以1:1 比例混合而成，具有成本費(fèi)用低、凝固速度快等優(yōu)點(diǎn)，注漿液凝固后能夠快速形成水化硅酸鈣，該結(jié)實(shí)體不僅強(qiáng)度大，而且具有一定的彈性特性。

（3）注漿工藝：① 首先采用風(fēng)動(dòng)錨索鉆機(jī)對(duì)冒落區(qū)施工注漿鉆孔，鉆孔深度為5.0 m，鉆孔直徑為45 mm，鉆孔數(shù)量根據(jù)冒落區(qū)范圍而定，要保證注漿范圍覆蓋整個(gè)冒落區(qū)；② 鉆孔施工完后，對(duì)鉆孔內(nèi)埋入直徑為20 mm 注漿軟管，在孔口處采用止?jié){塞、膨脹水泥進(jìn)行封孔處理；③ 將注漿軟管另一端與雙液注漿泵混合管連接，進(jìn)行注漿，如圖1所示，注漿壓力為1.5 MPa，單孔注漿量為45 kg。

圖1 冒漏區(qū)注漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 人工假頂

為了防止冒漏區(qū)出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象，提高冒漏區(qū)頂板穩(wěn)定性，在冒漏區(qū)施工人工假頂。

（1）冒漏區(qū)頂板人工注漿加固后，在冒漏區(qū)兩側(cè)頂板圍巖各施工一根長(zhǎng)8.0 m、直徑為21.8 mm高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力恒阻錨索，錨索間距為3.0 m，排距為2.0 m，冒漏區(qū)共計(jì)施工4 排錨索。

（2）在同一排錨索外露端安裝長(zhǎng)為3.5 m 工字鋼梁，鋼梁上均勻焊制兩個(gè)錨索支護(hù)孔，孔距3.0 m，工字鋼梁面與巷道設(shè)計(jì)頂板面齊平。

（3）冒漏區(qū)所有錨索吊棚施工完后，在吊棚平面上依次平鋪金屬網(wǎng)、風(fēng)筒布，然后在吊棚與冒漏區(qū)頂板之間采用方木成“井”字型搭接填充，最后采用張拉機(jī)具對(duì)錨索吊棚進(jìn)行預(yù)緊。

（4）人工假頂施工完后，采用注漿泵向假頂間隙處注入羅克休膨脹劑，對(duì)假頂間隙處進(jìn)行填充，如圖2 所示。

圖2 5107 巷冒漏區(qū)頂板聯(lián)合支護(hù)剖面示意圖

3.3 超前管棚支護(hù)

為了防止構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巷道前方煤體造成超前破壞作用，控制冒漏區(qū)范圍擴(kuò)大，巷道在過(guò)斷層期間對(duì)頂板施工超前管棚支護(hù)。

（1）冒漏區(qū)人工假頂施工完后，在掘進(jìn)巷道迎頭頂板處施工一排垂直煤壁支護(hù)孔，孔深為3.0 m，直徑為40 mm，間距為0.5 m，共計(jì)10 個(gè)。

（2）支護(hù)孔施工完后，孔內(nèi)注入長(zhǎng)為3.5 m、直徑為35 mm 中空?qǐng)A鋼，圓鋼外露端采用“JW”型鋼帶配套五根錨桿進(jìn)行固定。

（3）管棚支護(hù)施工完后，巷道在掘進(jìn)過(guò)程中的頂板永久支護(hù)施工在管棚下方。巷道掘進(jìn)3.0 m后繼續(xù)施工第二排超前管棚支護(hù)，直至巷道完全過(guò)斷層應(yīng)力區(qū)。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)F4 斷層處頂板冒漏機(jī)理進(jìn)行分析，采取“注漿+人工假頂+超前管棚”聯(lián)合支護(hù)措施，5107 巷在過(guò)冒漏區(qū)時(shí)頂板未出現(xiàn)大面積破碎、垮落現(xiàn)象，控制了頂板冒漏區(qū)范圍擴(kuò)大。

（2）5107 巷在后期掘進(jìn)期間對(duì)冒漏區(qū)安裝了頂板圍巖監(jiān)測(cè)儀，分析發(fā)現(xiàn)，10 d 頂板最大位移量0.12 m，10～15 d 頂板位移量逐漸減小，在15 d 后頂板下沉量為0。

（3）采取聯(lián)合支護(hù)措施后，每班安排專(zhuān)人對(duì)冒漏區(qū)及其附近進(jìn)行有害氣體檢測(cè)，冒漏區(qū)瓦斯最大濃度為0.2%，有效阻止了5107 巷頂煤內(nèi)瓦斯向冒漏區(qū)涌出現(xiàn)象。