斷層附近采區(qū)巷道預掘風橋圍巖控制技術(shù)研究

張立軍，馬國偉

(1.西山煤電集團 斜溝礦，山西 呂梁 033000；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院，陜西 西安 710000)

巷道是井工礦井生產(chǎn)活動的重要場所，一直以來在不同開采條件、地質(zhì)環(huán)境下巷道的支護設計不斷衍生出新的支護工藝理論與支護裝備。高預應力支護體系、高強度錨桿(索)、高強度錨噴支護等為高產(chǎn)高效掘送巷道奠定了基礎。圍繞巷道的研究多是從礦山壓力、圍巖力學強度、采動擾動影響等角度出發(fā)，但是伴隨著井工礦井采掘埋深、開采強度的增加，礦井采盤區(qū)巷道交叉錯綜復雜。此時，研究多條巷道交叉點處支護設計優(yōu)化對巷道不同斜交延伸開鑿方式、不同層間距過立交掘進支護技術(shù)分析具有重大意義。斜溝煤礦目前正在開采一水平11和二水平21采區(qū)，13采區(qū)作為準備采區(qū)正在建設中，考慮到目前使用無軌膠輪車進行輔助運輸，對巷道坡度及運輸距離有一定的要求，同時采區(qū)輔助運輸上山巷道的布置直接影響保護煤柱留設范圍及工作面的布置，從技術(shù)經(jīng)濟指標上也希望采區(qū)輔助運輸上山與其他巷道出現(xiàn)交叉關(guān)系時能布置最優(yōu)。因此，對13采區(qū)輔助運輸上山巷道的布置設計技術(shù)研究對礦井后續(xù)采掘銜接具有重要的意義。

1 工作面概況

13采區(qū)位于井田南部，是礦井上水平8#煤層采區(qū)，南為礦界、北鄰11采區(qū)、西鄰+700 m水平3條大巷、東為礦界。8#煤開采標高為+705～+1 023 m，蓋山厚度為50～380 m.本區(qū)走向長2 401.6 m，傾向長2 638.2～3 365.4 m，面積4.9 km2.8#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，主煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均4.81 m，屬中厚煤層，平均傾角9°.煤層頂板以泥巖、細粒砂巖或砂質(zhì)泥巖為主。

在13采區(qū)帶式輸送機上山的掘進過程中，揭露SF57正斷層，傾角55°～65°，落差0～3.7 m，斷層位置關(guān)系見圖1.煤層巷道底板依次為炭質(zhì)泥巖和砂巖，頂板依次為泥巖和砂巖，圍巖力學參數(shù)見表1.

表1 巖石力學參數(shù)表

圖1 13采區(qū)盤區(qū)巷道局部布置圖

考慮到輔運上山長期過往重型車輛，因此13采區(qū)輔助運輸上山里程B4點向前308.43 m處，將從13采區(qū)帶式輸送機上山下方通過，預計立交工程后兩巷層間距為0.3～0.964 m.為加快施工進度，計劃提前施工13采區(qū)輔助運輸上山與13采區(qū)帶式輸送機上山立交，并提出在立交施工處采取從13采區(qū)帶式輸送機上山由底板向下大揭蓋炮掘的方式。輔運大巷與皮帶大巷做立交設計，輔運大巷沿煤層底板布置，煤層傾角9°左右，兩巷立交層間距1.8 m，立交附近有一個2.7 m落差的斷層，在該構(gòu)造附近皮帶巷掘進期間巷道成型較差，幫部、頂板破碎較為嚴重，考慮到后期輔運大巷在皮帶巷下方做立交，要確保大揭蓋巷道成型的穩(wěn)定性，采用了注漿錨桿索、預注漿加固等治理手段。預掘大揭蓋立交示意圖見圖2.

圖2 預掘大揭蓋立交示意剖面圖

2 斷層附近大斷面立交圍巖控制分析

2.1 地應力分析

基于水力壓裂對礦井上下兩個水平8#、13#煤層進行地應力測試(表2)，為巷道支護設計、支護參數(shù)優(yōu)化、支護設備、材料選型等提供科學依據(jù)。巷道過斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域水平、垂直應力集中強度和影響范圍將放大。

表2 水力致裂地應力測試結(jié)果表

結(jié)果顯示：8#煤層最大水平主應力、垂直應力，最小水平主應力分別為15.01 MPa、8.76 MPa、7.58 MPa.地應力強度判斷標準：低應力區(qū)0～10 MPa；中等應力區(qū)10～18 MPa；高應力區(qū)18～30 MPa，超高應力區(qū)大于30 MPa.8#煤測試區(qū)域地應力場屬于中等應力值區(qū)域。

2.2 斷層圍巖強度

研究地應力首先要考慮被測區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境情況，斷層區(qū)域地應力集中強度、范圍隨著破碎帶厚度、落差、傾角變化出現(xiàn)明顯變化規(guī)律,與前兩個要素成正相關(guān)，與后者成負相關(guān)。

現(xiàn)場通過鉆孔窺視對斷層帶附近新開掘的巷道圍巖內(nèi)部進行了觀察，新掘巷道變形嚴重段圍巖受斷層帶影響，附近區(qū)域巷道圍巖巖性較差、頂板各砂巖含水層裂隙水發(fā)育，圍巖多數(shù)破碎成小塊體狀，且孔內(nèi)圍巖含水。巷道圍巖內(nèi)部在1～3 m較為破碎，4～5 m破碎較小但是也存在一定的裂隙。斷層帶附近巷道圍巖控制應充分考慮對破碎區(qū)圍巖的加固。

2.3 斷層構(gòu)造應力

結(jié)合該礦現(xiàn)場生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，分析臨近斷層構(gòu)造應力條件下巷道變形機理，數(shù)值模擬分析結(jié)果見圖3.

圖3 構(gòu)造應力影響巷道應力云圖

巷道掘送距離斷層0～10 m時，塑性破壞區(qū)范圍大，圍巖剪應力集中，圍巖位移變形量大，巷道治理難度大，支護工程量大；10～20 m破壞區(qū)范圍、集中程度明顯降低；超過30 m后各項指標趨近于原巖應力水平。

靠近斷層側(cè)立交巷道圍巖受剪應力集中影響顯著，巷道兩側(cè)頂、幫變形量呈現(xiàn)非對稱性規(guī)律，近斷層頂、幫的塑性區(qū)深度分別為4 m、6 m.底板近斷層底角范圍較大，延伸至斷層附近。為此，根據(jù)模擬分析結(jié)果以及現(xiàn)場工況，重點加強近斷層側(cè)圍巖補強支護強度。

3 巷道深淺孔注漿加固技術(shù)研究

3.1 注漿加固機理

利用水泥、化學漿液對破碎失穩(wěn)圍巖進行注漿加固，其原理是利用漿液把圍巖的各弱面充實，同時將弱面充填體與四周巖體重新膠結(jié)起來，將破碎巖體黏結(jié)形成條狀網(wǎng)絡骨架結(jié)構(gòu)，從而使得破碎巖體重新成為具有較好彈粘性和黏結(jié)強度的均勻密實的巖體護。

3.2 注漿參數(shù)設計

由于斷層附近圍巖裂隙較多，為防止大斷面巷道二次開挖圍巖變形嚴重，故對原巷道、新掘巷道頂板、兩幫打設注漿錨索加強支護。同時，為降低斷層附近構(gòu)造應力對巷道圍巖穩(wěn)定性影響，采用深淺孔注漿方式加固斷層周圍破碎圍巖，降低構(gòu)造應力強度和影響范圍。根據(jù)探孔資料顯示，立交施工段距離斷層10～15 m.采用SCJG-3型雙組份無機加固材料，該材料在破碎頂板的擴散范圍為1～2 m.

采用深、淺孔注漿加固方案確保漿液縱深全覆蓋破碎圍巖區(qū)域。設計注漿鉆孔d42 mm，鉆孔深度6 m/20 m，排距為5 m.注漿管采用4′鋼管，長度4 m/12 m，孔口處注漿管為實管，孔內(nèi)注漿管為花管。封孔采用環(huán)向膨脹式封孔器實現(xiàn)孔內(nèi)定位封孔。注漿錨索、深淺孔布置方式見圖4,5.

圖4 注漿錨索、注漿孔布置設計圖

4 注漿效果分析

1)現(xiàn)場觀察記錄注漿情況：注漿鉆孔周圍6 m范圍內(nèi)錨桿、幫部圍巖流掛漿液明顯，破碎圍巖包裹漿液充實均勻，注漿覆蓋區(qū)域錨桿(索)充填漿料，形成全長錨固效果。

圖5 注漿孔布置平面圖

2)注漿完畢后，采用炮掘的方式從13采區(qū)帶式輸送機上山由底板向下大揭蓋做立交。巷道煤幫平直、頂板圍巖完好，掘進工作面經(jīng)過注漿區(qū)域，未發(fā)生片幫、離層現(xiàn)象。與13采區(qū)帶式輸送機上山過斷層片幫情況對比，大接蓋立交段巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)較弱。

3)在斷層附近預先采用深淺孔注漿后，基于鉆孔窺視觀測注漿加固結(jié)果,見圖6.從圖6中可以清晰地看到固化的水泥充填滿大的裂隙，起到網(wǎng)絡骨架的作用。

圖6 注漿后鉆孔窺視圖

5 結(jié) 語

1)臨近斷層掘送立交大斷面巷道，水平、垂直、剪切應力集中范圍和強度明顯增強，需要預先對斷層構(gòu)造應力進行控制，降低對巷道穩(wěn)定性影響。

2)采用深、淺孔交錯預先對臨近斷層破碎區(qū)域加固注漿，有效確保漿液全覆蓋破碎圍巖區(qū)域，提高圍巖整體強度。注漿后地應力重新分布，對新掘送巷道圍巖穩(wěn)定性影響趨近于原巖應力。

3)注漿完畢后，炮掘立交大巷巷道煤幫平直、頂板圍巖完好，掘進工作面經(jīng)過注漿區(qū)域，未發(fā)生片幫、離層現(xiàn)象。