注漿加固技術在綜采工作面過斷層中的應用研究

張占峰

(山西鄉寧焦煤集團富康源煤業有限公司，山西 臨汾 041000)

引 言

我國能源儲量豐富，大致呈現出多煤、少油、貧氣的格局，隨著我國能源的整改，煤炭資源的開采中心逐步向著我國西部進行轉移。考慮煤炭資源重生時間長，我國提出利用清潔可再生能源代替化石能源，但由于我國處于清潔能源的起步階段，風能、太陽能、水能等僅能提供很少部分的能源，所以我國大的能源格局不會發生改變，未來40年煤炭資源仍是我國最大的能源支柱。隨著我國開采年限的不斷增加，煤炭資源的開采由賦存較為簡單的煤層逐步向著賦存較為復雜的煤層進行轉移。煤礦進行作業過程中，各種地質特征的存在對礦山開采十分重要，一旦遭遇斷層工作面時，工作面的頂板變形量增大，導致工作面控制難度增加，十分容易導致冒頂、片幫事故，威脅礦山的正常生產。此前眾多學者對此進行過一定的研究。本文以富康源礦為研究背景，利用數值模擬軟件對巷道過斷層注漿支護進行研究，為礦山安全生產提供一定的參考。

1 礦井概況及數值模擬研究

富康源礦位于山西臨汾鄉寧鎮臺頭鎮，井田面積3.12 km2,設計生產能力120萬 t/a，10503工作面現主要開采2#、3 #煤層，采用的是綜采放頂煤采煤工藝。3#煤層的 10503工作面進行開切眼布置時，遇到正斷層，造成工作面破碎而不穩定，造成工作面支護困難，所以本文對斷層注漿支護進行研究。

當大傾角的綜采面回采過程中遇到斷層的破碎帶，此時由于斷層區域的巖體完整性較差，巖體的強度較低，此時在破碎帶周邊的頂板出現大變形和運移的可性大幅度提升，尤其是在傾斜工作面的上端頂板巖體。所以在此范圍內的應力情況十分復雜，圍巖的控制難度也十分大，特別是由于大傾角走向長壁工作面的支護本來就是一個難題，當遇到斷層后無疑十分困難。在遇到斷層后難以保證頂板的穩定和支架的穩定。當回采工作面推進至斷層破碎帶時，斷層的傾向沿著開采的方向，工作面推進至應力集中位置時，此時回采工作面前方的煤(巖)體支承壓力 會出現大幅度的提升。此時煤體或巖石中會出 現明顯的縫隙，煤層及煤柱的強度降低大幅度降低，底板的穩定性減小，峰值壓力出現的位置逐漸向著巖體前端進行轉移，且峰值壓力增加[1]。無斷層與有斷層圍巖受力對比，如圖1所示。

圖1 無斷層與有斷層圍巖受力

在大傾角工作面開采時會造成圍巖應力不均勻分布，所以造成不同位置的礦壓顯現情況不同，且由于應力分布不均勻使得頂板的垮落速度與底板破壞的速度也是不同的，導致工作面的圍巖支架系統不穩定，使得工作面容易發生事故。

本次對過斷層注漿加固的研究是以富康源礦10503為研究對象，對工作面斷層破碎頂板穩定性的一種注漿加固技術。采用數值模擬對斷層注漿支護進行一定的研究，注漿加固技術研究可以實現的數值模擬主要含有限元法、離散元 和有限差分法等。本文，主要通過對比注漿材料、注漿參數等因素對斷層破碎頂板的加固效果進行分析，本文采用有限差分法模擬軟件FLAC3D進行模擬分析。

在選擇注漿材料時，通常可以分為水泥類漿液與化學類的漿液。常見的化學類漿液主要是由環氧樹脂類的固化劑。跟前先前的研究發現水泥漿在水灰比為1∶0.8 時的擴散性好，但是其加固的強度較低，所以不予選擇。當水泥漿在水灰比為1∶1 時，此時的擴散性差但強度較好，所以本文為了保障單一變量的原則，決定選擇水泥漿在水灰比為1∶0.8時進行數值模擬研究[2]。

首先進行數值模擬模型的建立，對實際的地質條件進行一定的簡化，設計三維立體模型。由于本文主要研究斷層破碎頂板區域，所以對斷層破碎區進行設計，根據資料可知斷層破碎帶的影響的范圍大致為沿著走向長度60 m的范圍內，且斷層的類型為正斷層，正斷層的傾角為 50°，上下落差達到 5 m。工作面的長度設計為 180 m，但是由于模擬存在一定的邊界效應，邊界效應的存在在一定程度上會影響模擬的結果，所以為了避免邊界效應，在模型的兩端各留 150 m的邊界效應區，所以模型的總長度為 480 m。開切眼巷道的寬度設計為 7.8 m，煤層高約為 3 m，煤巖層為近水平分布，巷道頂板的冒落高度為 10 m。所以模型的寬度及分別為 200 m和 65 m。將模型視為均勻連續介質。模型選用 Mohr-Coulomb 準則，完成模型設計。對模型進行邊界條件設置，在整個模型的下邊界設定為固定約束，限制模型X,Y，Z方向的移動。在模型的四周設定水平方向的約束，限制四邊水平方向的位移。在模型的上端施加均布分的載荷，根據實際計算，設定在模型上端施加的覆巖自重應力為 5.56 MPa。根據實際地質情況對巖石的屬性進行設置，完成所有設置后對模型進行計算[3]。

2 數值模擬分析

在巷道直接頂布置監測點，監測切眼巷道開挖過程中的頂板的變化情況，監測點的布置按照隨著距離斷層距離的減小而密的原則進行布置，一共布置104個監測點。首先對加固前的位移云圖進行研究，模擬云圖，如圖2所示。

如圖2所示，模擬負值代表頂板向下位移，可以看出加固前的巖層的位移量較大，在模型的位移量最大值已經達到 171.43 mm。 同時，在斷層帶的影響區域覆巖層位移量與其他區域的覆巖位移量大不相同，這是由于斷層的存在使得覆巖發生一定的錯動，使得覆巖變形量增大[4]。

圖2 加固前模擬云圖

通過對不同注漿材料下的巷道頂板下沉量進行模擬研究，利用 Origin 軟件繪制曲線，如圖3所示。

圖3 不同注漿材料下頂板下沉量對比曲線

從圖3可以看出，在不經過注漿加固和選擇兩種注漿加固方法后，頂板的下沉曲線隨測點位置的變化均呈現出先增大后減小的趨勢，且均在測點位置為125 m的位置取到最大值。同時未經注漿加固時頂板的下沉量最大值為171.43 mm，而經過水泥漿注漿加固后的頂板的下沉量最大值為98.41 mm，當選擇環氧樹脂注漿加固后，此時的巷道頂板最大下沉量僅為4.13 mm。環氧樹脂漿液能夠更好的強化對頂板的穩定性，加固后頂板的下沉量明顯減小，且加固效果明顯大于水泥漿[5]。

對注漿工藝參數對加固的影響，根據漿液的擴散性質，設計對比值λ， 用于表示注漿孔的間排距和漿液擴散距離的幾何倍數關系，分別選擇1、1.5、2進行分析，模擬結果繪制，如第170頁圖4所示。

從圖4可以看出，頂板下沉量曲線隨著測點距離的增大同樣呈現出先增大后減小的趨勢，同樣在12 m的位置取到三種λ值的下沉最大值。當λ為2時，此時的頂板下沉量取到最大值為9.02 mm，為三種λ值中的最大值。當λ為1.5時，此時的頂板下沉量取到最大值為6.28 mm，當λ為1時，此時的頂板下沉量取到最大值為4.13 mm，為三種取值中的最小值，可以看出隨著間排距的增大，巷道頂板的加固效果降低，巷道頂板下沉量增大，巖石的穩定性下降。

圖4 不同λ值下頂板下沉量曲線

3 結論

1) 為了研究過斷層巷道支護技術，本文以富康源礦為研究背景，對有無斷層的圍巖受力進行分析，并建立了數值模擬模型，為后續的模擬研究提供基礎。

2) 利用數值模擬軟件對不同注漿材料及無注漿條件下的巷道頂板下沉量進行分析，發現注漿加固后頂板的變形量顯著降低，且利用環氧樹脂加固后頂板下沉量最小。

3) 利用數值模擬軟件對不同λ值下的巷道頂板下沉量進行分析，發現隨著λ值的增大，頂板下沉量逐步降低，當λ值為1時下沉量最小。