汾源煤業5-1021巷過斷層圍巖控制應用研究

李國軍

(霍州煤電集團 晉北能化有限責任公司，山西 靜樂 035000)

斷層是在地質作用下巖層上下盤發生明顯相對的位移錯動而形成的一種不良工程地質。在斷層的影響下，賦存穩定的巖體穩定性顯著下降，表現出圍巖破碎，承載性能降低等特性[1-2]。因此，在工作面巷道掘進過程遭遇斷層時，需要及時探測斷層的具體形態，同時對巷道進行支護補強，防止發生嚴重的冒頂或者巷道變形。

目前對于巷道的支護補強主要是主動支護補強和被動支護補強兩種方式，即巷道圍巖注漿加固和錨桿索補強[3-5]。本文以汾源煤業5-1021巷掘進時遭遇大斷層為工程背景，展開巷道過斷層圍巖控制應用研究，保證了巷道掘進工作面的安全生產。

1 工程背景

汾源煤業5-1021工作面位于一采區，煤體賦存穩定，開采煤層是5號煤，平均煤厚為15.45 m，煤層傾角23～27°，平均25°。工作面走向長度為632 m，傾向長100 m。煤層直接頂為平均厚度為1.0 m的泥巖，薄層狀，質地較軟；基本頂為平均厚度為5.09 m的泥質灰巖，以粉砂泥質為主，硬度較小。煤層直接底為厚度約為2.1 m的泥巖，有明顯的水平層理，巖性較軟，基本底為堅硬的細砂巖，平均厚度約為5.2 m。

工作面回風巷掘進過程揭露一條正斷層，斷層產狀為132°∠55°，落差為12.25 m。為了防止繼續揭露斷層導致巷道圍巖發生嚴重破壞，計劃開展對斷層影響范圍內巷的支護補強。

2 過斷層巷道圍巖補強方案

為保證5-1021巷的安全掘進，同時為今后工作面安全回采提供條件，需要對斷層影響范圍內巷道展開支護補強，主要從補打巷道錨桿索和巷道破碎圍巖注漿加固兩個方面展開。

2.1 巷道圍巖注漿加固

在補打錨桿索之前，如果首先對巷道圍巖展開注漿加固，可以有效地防止由于圍巖破碎而使錨桿索的錨固效果減弱的風險。已知5-1021巷斷面為矩形，巷道斷面的平均尺寸寬×高=4.4 m×3.1 m。根據巷道的形態特征設計了注漿加固方案，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 5-1021巷注漿鉆孔布置示意

如圖1所示，注漿加固的注漿孔布置主要在巷道的頂板和兩幫。在巷道頂板布置3個注漿孔，沿走向呈三花眼布置，中間的注漿孔的位置與巷道中軸線重疊，頂板注漿孔深均為10 m。同一斷面內，頂板注漿孔的水平間距為2.0 m。兩邊的注漿孔設計的傾角為75°，與幫部水平距離為0.3 m。

工作面幫部和煤柱幫部的注漿孔布置方案一致，注漿孔均水平布置，垂直于幫部。上排鉆孔距離頂板0.4 m，上下兩排注漿孔的垂直距離為1.5 m。兩幫的注漿鉆孔深度均為8.0 m，注漿孔的直徑均為76 mm。沿著巷道走向，幫部的注漿鉆孔均呈三花眼布置，同一排的注漿鉆孔間距為3.0 m。

注漿加固采用一種礦用的單液無機材料，該材料對環境無污染，與水混合后放出熱量較小。當注漿材料水灰比為1∶1時，材料與水混合后在10 min內不凝固，60 min后強度可達2.8 MPa，1 d后強度可達11.5 MPa，3 d后強度可達15.6 MPa，能夠有效地加固破碎圍巖。

注漿加固系統主要是采用兩個100 L的攪拌桶制備材料漿液，需要在桶內設置好水位線，采用人工上料和加水的方法使材料混合均勻，隨后通過氣動泵注漿。所有注漿孔的注漿壓力均設計在4～5 MPa。

注漿需要先加固兩幫后加固頂板，因此注漿順序也應與之保持一致。如果發現有漏漿現象需要注漿壓力，或者暫停注漿，及時清理管路后，待漿液在煤壁中凝固后繼續注漿，原則上每個注漿孔注漿量均以注滿為標準。

2.2 巷道支護補強方案

巷道圍巖在注漿加固后整體穩定性得到提高，故而錨桿索補強加固效果會更好。因此，根據巷道斷面重新設計了斷層影響帶的巷道支護設計方案。由于斷層具有落差，而且揭露處在進風巷的工作面煤體一側，因此在設計支護方案時，主要以加固頂板和工作面煤體側，而煤柱以此受到斷層的影響較小，故而可以采用較小的支護參數。主要是錨桿索加固以及工字鋼、菱形網結合的補強方法。巷道斷面的支護設計如圖2所示。

圖2 巷道斷面支護示意(mm)

巷道頂板的支護主要由錨桿錨索支護組成，其中錨桿選用型號為D22 mm×2 500 mm的高強度螺紋鋼錨桿。頂板共布置5根錨桿，錨桿間距為1 000 mm，兩邊的錨桿距離幫部約200 mm，傾斜仰角設計為70°。同時，頂板需要補打兩根型號為D17.8 mm×8 300 mm的鋼絞線錨索。從巷道的斷面圖來看，錨索的位置與錨桿位置重合，距離幫部的水平距離為1 300 mm，兩根錨索的間距為2 000 mm。錨索與錨桿間隔布置，沿著巷道走向，錨索排距為5 m，錨桿的排距為3 m。

由于斷層在工作面煤幫部分，故而在設計支護時需要適當加強支護參數。選用型號為D20 mm×2 500 mm的高強度螺紋鋼，上下兩排錨桿。上排錨桿仰角設計為15°，距離頂板400 mm，下排錨桿垂直于煤幫布置，并且與上排錨桿排距為1 500 mm。煤柱幫部一側的錨桿選擇D16 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，錨桿的布置與工作面煤幫一致。

施工中，所有的錨桿索的錨固劑均使用樹脂錨固劑，型號為MSK23355。頂底板高強度螺紋鋼錨桿的錨固長度為500 mm，錨索使用的樹脂錨固劑型號為Z2350,錨固長度為1 000 mm。同時，為了增大巷道內的柔性支護，在5-1021巷道內均布置菱形金屬網，搭接長度為300 mm，同時在金屬網上固定600 mm×30 mm的短節鋼帶。

3 巷道圍巖變形監測分析

巷道變形量的大小能夠反映巷道圍巖補強方案的合理性，因此在5-1021巷完成圍巖注漿加固和錨桿索支護后，在該范圍內設計巷道變形的觀測點。從揭露斷層點為起始點，每間隔10 m布置一個，巷道的變形數據每3 d統計一次，共統計16次。

將其中一個觀測點的巷道數據整理后，繪制出巷道變形特征曲線，以此分析巷道注漿加固和錨桿索補強的效果，如圖3所示。

圖3 5-1021巷道變形特征分析

由圖3可知，5-1021巷頂板下沉量整體大于兩幫移近量，兩者隨巷道掘進而發生變形趨勢保持一致。在統計巷道變形量的48 d內，前10 d范圍內的巷道變形速率最快，隨后變形速率降低，前15 d是巷道主要變形的時期。根據之后的統計數據顯示，巷道變形趨于不變，其中頂板最大下沉量穩定在91.5 mm，兩幫移近量穩定在68.7 mm。

根據巷道變形特征可知，巷道整體變形量小，巷道圍巖得到有效控制，進一步表明過斷層巷道圍巖補強方案合理，圍巖控制效果良好。

4 結 語

1) 根據5-1021巷揭露斷層的特征，結合巷道的斷面形態，設計了巷道圍巖注漿加固鉆孔布置、注漿工藝，以及巷道錨桿索的聯合補強加固方案。

2) 通過觀測巷道圍巖的變形特征發現，采用先注漿補打錨索的巷道，在過斷層期間整體的變形量較小，最大頂板下沉量為91.5 mm，兩幫移近量為68.7 mm，表明該方案有效控制了斷層影響的巷道圍巖變形。