掘進工作面過斷層剛柔耦合注漿頂板控制探討

張亮

（晉能控股煤業集團 晉城煤炭事業部，山西 晉城 048000）

0 引 言

統計資料顯示，斷層構造在各種誘發煤壁和頂板事故中的占比較高，且斷層構造極易引發煤壁片幫和冒頂事故。現有的研究大多集中在工作面過與煤層走向垂直的斷層時頂板控制方面，而對其余情形研究較少。本文以長平公司六盤區主運巷為研究對象，在分析掘進工作面過斷層頂板垮落、片幫、冒頂破壞機理的基礎上，進行深淺分帶剛柔耦合注漿施工方案可行性的數值模擬，并對加固效果進行現場驗證，為該注漿加固技術的推廣應用提供參考。

1 工程概況

長平公司六盤區主運巷在向西掘進的過程中，根據地測預報，前方存在兩處地質異常區域（背斜影響區域和斷層影響區域）。六盤區主運巷由1 號橫川向西580～605 m 為背斜影響區域，兩翼傾角為2°～4°，局部最大可達8°，相對寬緩背斜。六盤區主運巷1 號橫川向前約586 m 將可能揭露傾向75°，傾角70°，落差約2 m 的正斷層FW2306-1；六盤區主運巷1 號橫川向前約616 m將可能揭露傾向260°，傾角40°～60°，落差1～2.5 m 的正斷層FW2306-2。由于工作面處于背斜軸部急下坡段，最大坡度14°左右，上述2 條斷層也可能是局部坡度突變和煤層厚度變化造成的。

為確保六盤區主運巷過地質異常區域的施工安全，必須對其頂板控制進行分析探討。六盤區主運巷長16 m、高3.5 m，掘進工作面在過斷層過程中，采用注漿支護方案，以高分子聚亞胺膠脂為主要注漿材料，注漿孔的布置情況如圖1 所示。

圖1 注漿孔布置情況Fig.1 Grouting hole arrangement

在與頂板相距1.5 m 的位置斜向上75°設置一排孔徑25 mm、孔距3.0 m、孔深5.0 m 的注漿孔，沿工作面走向布置。但在工作面掘進至斷層周圍時，頂板圍堰節理、裂隙發育，在斷層的影響下出現嚴重的片幫、冒頂，表明原支護方案無法滿足掘進工作面正常推進要求。

2 頂板控制技術

結合正斷層破斷機理及長平公司六盤區主運巷現場實際情況，提出深淺分帶剛柔耦合注漿控制技術，具體如圖2 所示。

圖2 深淺分帶剛柔耦合注漿支護Fig.2 Deep and shallowzoning rigid-flexible coupling grouting support

過斷層頂板注漿采用剛性無機材料和柔性有機材料相結合的方案。剛性注漿材料初凝時間3～7 s，0.5 h 抗壓強度不小于16 MPa，24 h 抗壓強度不小于20 MPa，水灰比0.8，微膨脹率不小于0.2%，注漿壓力1.0～3.0 MPa，漿液擴散半徑1.0～1.5 m，且具有早強、快凝、不干縮等特點；柔性注漿材料初凝時間3～5 s，抗壓強度不小于0.8 MPa，發泡倍數可達30 倍，注漿壓力為3.0～5.0 MPa，漿液擴散半徑1.5～2.0 m，具有高膨脹率、強壓縮性、快凝等特征。

向工作面頂板斷層帶圍巖淺部裂隙發育帶注入剛性無機漿液，向深部微裂隙帶內注入柔性有機漿液。利用具備剛性屬性的無機漿液將頂板淺部破碎帶膠結成強度較高的支撐結構，并且將頂板淺部發揮載荷作用的圍巖固化成承載體結構，充分發揮其承載性能。將漿液顆粒小的柔性有機發泡材料注入深部巖體后，深部微裂隙帶會形成柔性減壓層，在高應力影響下將注漿結構體內空洞擠密，同時釋放原位壓力，保證圍巖結構的長期穩定性。該深淺分帶剛柔耦合注漿技術能較好發揮支護作用和圍巖結構的自載性能，并能有效控制頂板極限剪應力。

六盤區主運巷斷層帶淺部破碎巖體集中分布于深度為0～1.9 m，深部微裂隙帶巖體集中在2.8～6.5 m，探測結果顯示，裂隙帶和圍巖破碎帶范圍存在較大的擴展可能。根據這些情況，確定淺部和深部注漿孔埋深分別為2.4 m 和6.0 m，注漿壓力分別為2.5 MPa 和4.8 MPa。

3 數值模擬

3.1 模型創建

應用FLAC3D 模擬軟件進行實體建模。六盤區主運巷斷層帶地質條件復雜，網格劃分困難，因此通過AutoCAD-ANSYS-FLAC3D 等系列技術構建數值模型。其中掘進工作面斷層二維平面圖通過AutoCAD 繪制，將斷層按照煤層歸集為若干組，便于此后工作面開挖網格的完整劃分；在此基礎上，單獨地將待開挖工作面作為1 個分組處理后導入ANSYS 軟件，結合工作面實際情況，進行材料屬性及單元定義后劃分網格，拉伸成體；將所得出的數值計算模型轉化成FLAC3D 軟件能夠識別的格式，并重新進行分組處理和相關參數的添加，隨即對相關數值展開模擬。應用長40 m、寬44.5 m、高10 m 的Mohr-Coulomb 本構模型，共包括71 650個單元和76 492 個節點，數值計算模型如圖3 所示，注漿體力學參數見表1。

表1 深淺分帶剛柔耦合注漿體力學參數Table 1 Mechanical parameters of deep and shallowzoning rigid-flexible coupling grouting body

圖3 數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2 模擬結果

對六盤區主運巷斷層帶應用深淺分帶剛柔耦合注漿技術的加固支護效果主要體現在工作面塑性區破壞深度及位移等方面，因此對這兩方面進行模擬分析，結果如圖4、圖5 所示。

圖4 圍巖破壞Fig.4 Failure of surrounding rock

圖5 工作面頂板位移Fig.5 Roof displacement of working face

原注漿方案下注漿加固后頂板、煤壁處圍巖破壞深度分別為5.4 m 和4.7 m，使用深淺分帶剛柔耦合注漿技術優化處理后頂板、煤壁處圍巖的破壞深度縮小為1.0 m 和1.3 m 左右，塑性區破壞深度得到有效控制。

根據對不同注漿加固方案下工作面過斷層頂板下沉量的模擬看出，原方案下頂板下沉量為38 cm，深淺分帶剛柔耦合注漿加固技術應用后頂板下沉量在6.5 cm 左右，采用優化方案后工作面頂板圍巖屬性發生了顯著改善，淺部應力也隨之消除。

4 應用效果

按照深淺分帶剛柔耦合注漿施工要求進行六盤區主運巷過斷層頂板支護處理，按照要求設置綜合礦壓觀測站對工作面煤壁以及頂板可能發生的位移情況進行實時監測，并將監測結果與原注漿方案位移值進行比較，具體見表2 和表3。

表2 頂板移近量觀測結果比較Table 2 Roof convergence observation results comparison

表3 煤壁移近量觀測結果比較Table 3 Comparison of observation results of coal wall displacement

根據表2、表3 可知，在采取支護方案支護30 d 后工作面過斷層頂板和煤壁移近量逐漸趨于穩定，原方案下頂板移近量穩定在350 mm 左右，而采取深淺分帶剛柔耦合注漿施工技術后頂板移近量穩定在60 mm 左右；原注漿方案下煤壁移近量為362.7 mm，而采取深淺分帶剛柔耦合注漿施工后煤壁移近量僅為54.1 mm，降幅明顯。以上應用結果的對比分析表明，深淺分帶剛柔耦合注漿施工技術應用后，煤巷工作面過斷層片幫及冒頂問題均能得到有效解決，圍巖穩定性顯著提高。

5 結 語

綜上所述，對于過斷層掘進工作面，如果支護形式不適用，將導致支護強度不足，無法有效控制工作面軟弱圍巖變形，引發大面積斷層區域失穩、片幫及冒頂事故的發生。本文以長平公司六盤區主運巷為研究對象，針對該掘進工作面過斷層原支護方案支護強度不足導致片幫、冒頂等問題，提出深淺分帶剛柔耦合注漿技術。通過FLAC3D 軟件對該新型注漿加固技術的應用及加固效果進行模擬分析，并應用到工程實踐中。現場監測結果表明，深淺分帶剛柔耦合注漿技術應用后，煤巷工作面過斷層頂板移近量和煤壁移近量均明顯減小，解決了掘進工作面過斷層頂板片幫、冒頂等問題，保障了工作面開采安全。