石炭井焦煤公司2874工作面機巷過斷層期間加固方案研究

楊廷民

摘 要：石炭井焦煤公司在2874工作面機巷掘進時揭露DF5斷層，該斷層從上組煤一直發(fā)育到下組煤，斷層落差18m，受DF5正斷層及其派生構(gòu)造影響，2874工作面機巷圍巖極為破碎，圍巖整體的抗拉、抗壓強度極弱，而且由于受到DF5斷層形成的構(gòu)造高構(gòu)造應(yīng)力影響，巷道內(nèi)圍巖變形強烈，巷道底鼓兩幫內(nèi)縮變形嚴重，經(jīng)常發(fā)生頂部錨索被剪應(yīng)力剪短，如不采取新的有效支護技術(shù)措施，圍巖塑性破裂區(qū)還會在構(gòu)造應(yīng)力的嚴重影響下，繼續(xù)剪切擴容，嚴重影響工作面掘進及安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：DF5斷層；巷道嚴重變形；圍巖注漿加固技術(shù)

1 概況

2874綜采工作面位于石炭井焦煤公司三水平二階段北翼采區(qū)內(nèi)，工作面開采8層煤，為簡單結(jié)構(gòu)的中厚煤層，不含夾矸，掘進范圍內(nèi)煤層沉積穩(wěn)定，煤層屬光亮型，條痕為黑色，是煉焦煤，根據(jù)Ⅵ勘探線205、206鉆孔和XV勘探線215鉆孔資料，煤層硫分為1.17-2.2%，平均產(chǎn)狀為：走向157°；傾向247°；傾角26°。八層煤直接頂板為石灰?guī)r，灰黑色，塊狀，含黃鐵礦薄膜，致密、堅硬，裂隙由方解石充填；直接底板為細砂巖，灰黑色，水平層理，含云母碎屑和少量植物化石。該工作面在掘進過程中，揭露多條斷層，特別是DF5斷層對該工作面影響很大，落差18m，該斷層從上組煤發(fā)育到下組煤，是對北翼采區(qū)回采影響最大的斷層。

2 掘進期間巷道圍巖變化情況

2874綜采機巷在掘進期間首先在DF5正斷層下盤掘進，從開口位置開始，圍巖應(yīng)力變現(xiàn)顯著，頂板下沉達1.1m，兩幫內(nèi)移量接近2.3m，整體巷道收斂量增大。造成掘進施工進入“前掘后架”非良性循環(huán)狀態(tài)，不僅嚴重影響掘進施工，還增加了掘巷成本，使掘進生產(chǎn)陷入非常被動局面。其狀況有以下幾點：現(xiàn)場勘察表明，10天內(nèi)頂板下沉30mm，兩幫內(nèi)擠更趨嚴重，在施工第10天位移量達300mm。針對此情況礦也相應(yīng)更改措施，采取滯后架工字鋼接頂，雖有緩解，但不能有效解決問題。如左幫棚腿處內(nèi)移顯現(xiàn)，導(dǎo)致棚腿彎曲變形，并伴有剪脹滑移內(nèi)凸現(xiàn)象。 巷道頂部的下沉嚴重，巷道頂板由原來的圓弧狀變?yōu)榱似巾敔?，巷?nèi)底鼓強烈，巷底在施工機具漏水浸泡侵蝕作用下，導(dǎo)致煤巖崩解、潰散造成嚴重膨脹變形，底板塑性區(qū)擴容膨漲，底鼓明顯。巷道隨著掘進進尺的延伸，如不采取有效支護技術(shù)措施，圍巖塑性破裂區(qū)還會在構(gòu)造應(yīng)力的嚴重影響下，繼續(xù)剪切擴容，松動圈將進一步擴大。礦針對2874綜采機巷掘進出現(xiàn)的情況，也及時更改措施，盡管在支護方式上先后采用了“斜矩形”、“直墻拱頂形”和“三心拱形”、滯后架工字鋼棚接頂充填，調(diào)整錨桿、錨索長度，增加強度與剛度，確保巷道成型穩(wěn)定，從觀察有所緩解，但從長效機制看，此類支護方式仍不能根本上解決巷道收斂量較大的問題。

3 更換支護方式的研究

針對2874綜采機巷掘進工作面受到斷層構(gòu)造帶切割破壞、巷道圍巖破碎、松散的特點，應(yīng)當(dāng)視巷道內(nèi)巖體被斷層破壞的情況進行注漿加固，對已經(jīng)破碎和松散的煤巖體進行注漿加固，提高破碎煤巖體的膠結(jié)能力、強度與內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，增強巖體強度、剛度、支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進一步增強支護阻力控制煤巖層里層、滑動以及塑性變形。通過對圍巖注漿加固，提高巖體抗壓、抗拉強度，并使之成為支護結(jié)構(gòu)中的一部份，擴大支護補償能量，提高巷道支護自穩(wěn)能力和承載力。

4 技術(shù)支撐路徑

錨索網(wǎng)注聯(lián)合支護可以控制錨固區(qū)煤巖層滑動、離層、裂隙張大、新裂隙產(chǎn)生等嚴重變形及破壞，抑制圍巖的變形增大通過采取注漿加固巖體抗壓強度，增強巖體內(nèi)聚力和彈模與磨擦力，最大程度的保證了錨固區(qū)圍巖的整體完好性，減小錨固區(qū)煤巖層強度的降低，使圍巖成為了抗壓抗拉的主體。錨固范圍內(nèi)形成了預(yù)應(yīng)力較大的承載支護結(jié)構(gòu)，防止了錨固區(qū)外煤巖層發(fā)生離層破壞與煤體塑性區(qū)的擴容發(fā)展。同時對深部煤巖層應(yīng)力的發(fā)展起到了控制作用。錨索預(yù)應(yīng)力的擴散對巷道的支護效果起到?jīng)Q定性作用，根據(jù)巷道受斷層影響情況確定合理錨索的預(yù)應(yīng)力，并使錨索預(yù)應(yīng)力有效進行擴散是支護設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)，按照要求錨索預(yù)應(yīng)力應(yīng)設(shè)計在抗拉強度的50%。其次，通過其它支護構(gòu)件，如金屬網(wǎng)、M鋼帶、鋼梁、形成完整的支護結(jié)構(gòu)，將預(yù)應(yīng)力傳遞到深部巖層中，才能有效的控制頂板的離層和沉降。增強斷層破碎巷道的支護強度，即使巷道需要錨固區(qū)沒有產(chǎn)生明顯的離層和拉應(yīng)力所需要達到的支護強度，也需要保持合理組作的支護阻力。巷道內(nèi)支護系統(tǒng)的支護強度長期小于巷道臨界支護強度，巷道內(nèi)煤巖層也將長期處于逐漸變形的不穩(wěn)定狀態(tài)。如果支護系統(tǒng)的強度能夠達到或者超過巷道臨界支護需要的強度，巷道內(nèi)煤巖層變形將得到有效控制，巷道將長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。支護強度的關(guān)鍵影響因素是巷道內(nèi)錨桿錨索預(yù)應(yīng)力的強弱。

錨網(wǎng)索注噴支護對巷道深部煤巖層的影響：巷道內(nèi)受斷層破壞彈性變形及峰值強度之前的錨固區(qū)變形控制作用并不是特別明顯，但是考慮到支護結(jié)構(gòu)上要求的支護系統(tǒng)所應(yīng)有的足夠的延伸率及連續(xù)變形壓力需要得到釋放。在適應(yīng)巷道圍巖不斷變形過程中，要求巷道錨網(wǎng)索支護必須有較高的抗拉強度與耐沖擊性，因此必須通過注漿與噴漿提高頂板巖性和煤體抗壓強度，和巷道護表強度，確保巷道巖層整體的穩(wěn)定。

巷道內(nèi)支護錨索徑向應(yīng)力將錨桿形成的支護承載體育巷道深部圍巖體相連，形成巷道整體穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)，進一步發(fā)揮了深部圍巖的承載作用，使更大范圍的巖體承載巷道的壓力破壞，減小了局部承載力過重的問題；其次由于錨索施加了更大的徑向應(yīng)力，給巷道圍巖提供了壓應(yīng)力，同其他支護方法結(jié)合組合成骨架狀結(jié)構(gòu)，主動進行巷道支護，保持巷道圍巖整體穩(wěn)定性。

中空注漿錨索：注漿錨索的發(fā)揮了錨與注的獨特作用，實現(xiàn)發(fā)先錨后注，錨注一體，固結(jié)成梁，膠結(jié)成拱。新式中空注漿錨索注漿之后，漿液滲入松散破碎的圍巖，將周圍松散破碎的圍巖與煤體膠結(jié)成一個整體，進一步提高了煤巖層強度，最終實現(xiàn)利用圍巖本身作為巷道支護結(jié)構(gòu)的一部分；且與原巖統(tǒng)一成一個整體，使巷道能夠保持穩(wěn)定而不產(chǎn)生大的變形破壞。

中空錨注漿錨桿技術(shù)可以利用其自身較“短”的優(yōu)勢，在兩幫直墻設(shè)計安裝中空注漿錨桿，封堵巖石裂隙、隔絕空氣，防止圍風(fēng)化，并將周圍松散破碎煤巖體膠結(jié)成一塊，從而提高了巖體的彈性模量及內(nèi)聚力。

配合常規(guī)的錨噴支護形成多層有效的組合拱，擴大了巷道內(nèi)支護結(jié)構(gòu)所承載的范圍，大大提高了支護結(jié)構(gòu)的整體承載能力，從而提高了巷道圍巖的力學(xué)性能，改善圍巖的受力狀態(tài)。

5 圍巖注漿加固技術(shù)運用與效果

提高巷道內(nèi)破碎煤巖體的支護強度，利用注漿錨索內(nèi)的漿液充填巷道內(nèi)圍巖體的裂隙，將碎裂的圍巖固結(jié)起來，使碎裂的圍巖體內(nèi)塊體粘結(jié)成統(tǒng)一的整體結(jié)構(gòu)，同時通過中空注漿技術(shù)使原破裂塊體由原先的單向或雙向受力的狀態(tài)改變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，從而進一步提高了碎裂巖體殘余強度和改善了其自身的力學(xué)性能。注漿錨索向圍巖中注漿，也使得注漿錨索本身由原先的端部錨固變?yōu)槿L錨固，從而大大提高了錨索的錨固能力以及錨固體的強度，同時對巷道圍巖的承載能力有增大作用，提高了巷道支護結(jié)構(gòu)的整體性，保證了巷道圍巖的穩(wěn)固。

6 結(jié)束語

煤巖體注漿封堵技術(shù)可以有效防止斷層附近流水通道，隔離巷道內(nèi)流水防止淋水對巷道煤巖體的軟化侵蝕，風(fēng)化作用對巷道圍巖的強度也能造成較大的損失，圍巖注漿后進行裂隙封堵，可以有效方式煤巖體發(fā)生風(fēng)化。工作面在采用中空注漿錨索技術(shù)后，巷道變形量顯著減小，2874機巷逐漸穿過DF5斷層影響區(qū)域，從后續(xù)巷道頂板壓力觀測來看，支護方式有效可靠。

參考文獻

[1]何滿潮，袁和生，靖洪文，等.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2]何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005.