鎮城底礦22605工作面過斷層巷道注漿加固技術研究

趙慧鵬

（西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦，山西 太原 030053）

隨著我國煤炭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轉移。在進行煤礦作業時，地質特征的多樣性對礦山開采有一定影響，一旦遇到斷層工作面時，工作面的頂板變形量會增大，導致工作面控制難度增加，容易導致冒頂、片幫事故，嚴重威脅礦山的正常生產。本文以鎮城底礦為研究背景，利用數值模擬軟件對巷道過斷層注漿支護進行研究，以為礦山安全生產提供一定的參考。

1 礦井概況及數值模擬的建立

1.1 鎮城底礦井概況

鎮城底礦隸屬于焦煤集團，其位置位于山西省古交市西北處，據統計，鎮城底礦井田占地面積約16.63 km2，礦井西北走向6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，鎮城底礦年設計生產能力為190萬t。22605工作面地表位于八字山村北東，保溫材料廠以西，八字山回風井以北，歇馬村以東；南東為赤泥巖村，地面有428地質鉆孔，蓋山厚度為294～450 m；目前主采2、3號煤層，采用的是綜采放頂煤采煤工藝。3號煤層的22605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，最終導致工作面支護困難，因此，本文對斷層注漿支護進行了研究[1]。

大傾角的綜采面回采過程中若遇到斷層破碎帶，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能性大幅度提升，尤其對傾斜工作面的上端頂板巖體影響最為明顯。因此，巖體在此范圍內的應力情況十分復雜，圍巖的控制難度也很大，且大傾角走向長壁工作面的支護本身就較為困難，遇到斷層后無疑增加了困難程度，并難以保證頂板和支架的穩定性[5-6]。當回采工作面推進至斷層破碎帶的應力集中區時，斷層的傾向沿著開采的方向，回采工作面前方的煤（巖）體支承壓力大幅度提升，此時煤體或巖石中會出現明顯的縫隙，煤層及煤柱的強度大幅減小，底板的穩定性降低，峰值壓力出現的位置逐漸向巖體前端轉移，且峰值壓力增加。無斷層與有斷層圍巖受力對比圖如圖1所示。

圖1 無斷層與有斷層圍巖受力情況

在大傾角工作面開采時，由于圍巖應力的不均勻分布，使得不同位置的礦壓顯現情況不同，此外，頂板的垮落速度與底板破壞的速度也不同，從而導致了工作面的圍巖支架系統不穩定，易造成工作面事故的發生。

1.2 數值模擬的建立

以鎮城底礦22605為研究對象，采用數值模擬對可提高工作面斷層破碎頂板穩定性的一種注漿加固技術進行研究。注漿加固技術研究可以實現的數值模擬主要包括有限元法、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，并采用有限差分法模擬軟件FLAC3D進行模擬分析[2]。

注漿材料通常可分為水泥類漿液與化學類漿液。常見的化學類漿液主要為環氧樹脂類的固化劑。有研究發現，水泥漿的水灰比為1.0∶0.8時擴散性好，但其加固強度較低，所以不予選擇；當水泥漿水灰比為1∶1時，此時的擴散性差但強度較好。因此，為了保證單一變量原則，決定選擇水泥漿的水灰比為1.0∶0.8來進行數值模擬研究[3]。

首先建立數值模擬模型，通過對實際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。查閱資料可知，斷層破碎帶的影響范圍大致在沿著走向長度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，但由于模擬存在一定的邊界效應，這會在一定程度上影響模擬結果，所以為了避免邊界效應，在模型的兩端各留出150 m的邊界效應區，將模型的總長度設計為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。所以模型的長度為200 m、寬為65 m，將模型視為均勻連續介質，并選用Mohr-Coulomb準則完成模型設計。對模型進行邊界條件設置時，將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約束，限制四邊水平方向的位移。在模型的上端施加均布載荷，根據實際計算，在模型上端施加的覆巖自重應力設定為5.56 MPa。最后根據實際地質情況，對巖石的屬性進行設置。完成所有設置后，對模型進行計算。

2 數值模擬分析

2.1 注漿材料對頂板下沉量的影響分析

在巷道直接頂布置監測點，以監測切眼巷道開挖過程中頂板的變化情況，監測點的布置按照隨與斷層距離的減小而密的原則進行布置，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2所示。

圖2中的模擬負值代表頂板向下位移，從圖2中可以看出加固前的巖層位移量較大，在模型中的位移量最大值已經達到171.43 mm。同時，在斷層帶影響區域的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了一定的錯動，從而造成覆巖變形量增大。

圖2 加固前位移（m）模擬云圖

對不同注漿材料下的巷道頂板下沉量進行模擬研究，并利用Origin軟件繪制對比曲線圖，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中可以看出，無論是選擇不經過注漿加固還是選擇兩種注漿加固方法，頂板的下沉曲線均隨測點位置的變化呈現出先增大后減小的趨勢，且均在測點位置為125 m處時取到最大值。同時，未經注漿加固時頂板的下沉量最大值為171.43 mm；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，巷道頂板最大下沉量僅為4.13 mm。由此得出，環氧樹脂漿液能夠更好地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。

2.2 不同λ值對頂板下沉量影響分析

根據注漿工藝參數對加固效果的影響及漿液的擴散性質，設計對比值λ，用于表示注漿孔的間排距與漿液擴散距離的幾何倍數關系，分別選擇λ值為1、1.5、2進行分析，根據模擬結果繪制不同λ值下頂板下沉量曲線圖，如圖4所示。

圖4 不同λ值下頂板下沉量曲線

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125 m處的位置取到三種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。由此可以看出，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。

3 結論

1）為了研究過斷層巷道支護技術，以鎮城底礦為研究背景，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。