工作面過(guò)斷層注漿加固技術(shù)實(shí)踐

林 瑤

(山西太原煤氣化集團(tuán)龍泉能源發(fā)展有限公司， 山西 太原 030000)

1 前言

斷層是礦井常見的地質(zhì)構(gòu)造，當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層區(qū)域時(shí)，受落差影響，圍巖易出現(xiàn)破碎，造成巷道支護(hù)困難[1-2]。煤礦常用的錨網(wǎng)索支護(hù)雖然在一定程度上能夠提高圍巖的承載能力，但落差大的斷層區(qū)域圍巖破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)“網(wǎng)包”，可能出現(xiàn)冒頂事故[3-4]。因此，通過(guò)采用注漿加固的技術(shù)，黏聚破碎圍巖裂隙，減小松動(dòng)圈，提高圍巖的剛度和抗剪強(qiáng)度，減小掘進(jìn)后圍巖破碎程度，避免出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿?，保證礦井的安全生產(chǎn)[5-6]。

2 工作面概況

龍泉煤礦4203工作面位于二采區(qū)東翼北側(cè)，北部30m為原4201采空區(qū)，南部為實(shí)體煤，西部為四條開拓大巷。運(yùn)輸巷長(zhǎng)2 520m，回風(fēng)巷長(zhǎng)2 520m，工作面長(zhǎng)250m。工作面主采4#煤層，平均厚度6.47m。直接頂為厚6.06m中砂巖，基本頂為厚5.50m細(xì)-粗砂巖，直接底為厚5.09m細(xì)砂巖，基本底為厚9.70m粉砂巖與砂質(zhì)泥巖互層。工作面兩巷掘進(jìn)期間共揭露14條斷層，其中落差在2m以上的有12條，掘進(jìn)后采用錨網(wǎng)索支護(hù)后圍巖依然破碎嚴(yán)重，需要采用注漿加固技術(shù)加固圍巖，提高巷道穩(wěn)定性。

3 巷道原支護(hù)措施

4203工作面兩巷圍巖原采用錨網(wǎng)索支護(hù)的方式，錨桿、錨網(wǎng)、錨索支護(hù)的參數(shù)見表1。

錨網(wǎng)索支護(hù)雖然在一定程度提高了4203工作面兩巷圍巖的承載能力，但是斷層區(qū)域支護(hù)后圍巖變形量依然較大，需要進(jìn)行注漿加固。

表1 錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

4 注漿加固數(shù)值模擬

4.1 模擬方案

F6斷層機(jī)頭將揭露F6斷層(其產(chǎn)狀為F6:140°∠75°，h=2.5m)，預(yù)計(jì)其影響本次預(yù)報(bào)范圍內(nèi)1#～61#支架。采用FLAC3D模擬F6斷層區(qū)域注漿前后圍巖變形量和塑性區(qū)分布，確定注漿加固圍巖效果。根據(jù)4203工作面地質(zhì)條件，建立380m×464m×45m的力學(xué)模型，垂直方向施加5.5MPa應(yīng)力，材料參數(shù)見表2。

表2 工作面材料參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果分析

1)未開采注漿前后圍巖變形分析

4203工作面未開采時(shí)，通過(guò)模擬得到F6斷層區(qū)域注漿加固前后圍巖變形量，具體如圖1所示。

圖1 未開采注漿前后圍巖變形量

由圖1a可知，4203工作面F6斷層區(qū)域采用注漿加固后頂板位移量有了明顯的減小，注漿前后頂板最大位移量分別為31mm、13mm，注漿后相對(duì)于注漿前頂板位移量減小了58%，注漿加固有效改善了頂板位移量。

由圖1b可知，4203工作面F6斷層區(qū)域采用注漿加固后底板位移量也有所減小，但減小幅度不大。注漿前后底板最大位移量分別為11mm、8mm，注漿后相對(duì)于注漿前底板位移量減小了27%，注漿加固同樣對(duì)工作面底板位移有所改善。

2)開采后注漿前后圍巖變形分析

4203工作面回采后，通過(guò)比較F6斷層區(qū)域注漿加固前后圍巖塑性變形情況，注漿前工作面采空區(qū)圍巖塑性變形破壞程度及范圍相對(duì)注漿后大。圍巖注漿前，當(dāng)巷道掘進(jìn)后斷層區(qū)域圍巖承載能力弱，發(fā)生了剪切變形破壞；注漿后，提高了斷層區(qū)域圍巖承載能力，巷道掘進(jìn)后未出現(xiàn)塑性破壞。

4203工作面開采后，通過(guò)模擬得到F6斷層區(qū)域注漿加固前后圍巖變形量如圖2所示。

圖2 開采后注漿前后圍巖變形量

由圖2a可知，4203工作面開采后，F(xiàn)6斷層區(qū)域注漿加固后頂板位移量減小。注漿前后頂板最大位移量分別為88.5mm、79mm，注漿后相對(duì)于注漿前頂板位移量減小了11%，注漿加固有效改善了頂板位移量。

由圖2b可知，4203工作面開采后，F(xiàn)6斷層區(qū)域注漿加固后底板位移量減小。注漿前后底板最大位移量分別為9.5mm、6mm，注漿后相對(duì)于注漿前底板位移量減小了37%，注漿加固同樣對(duì)工作面底板位移有所改善。

此外，通過(guò)底板位移量正可以看出，表面巷道掘進(jìn)后底板向上運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)底鼓，但是底鼓量相對(duì)頂板下沉量較小，注漿后底鼓量進(jìn)一步減小，表明注漿加固取得了良好的效果。

5 工程實(shí)踐

4203工作面斷層區(qū)域兩巷在錨網(wǎng)索支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用注漿加固提高圍巖的承載能力。采用注漿錨桿施工，將注漿孔與錨桿合二為一。選用QB152型便攜式注漿泵，注漿液采用高水速凝材料，分別頂板和兩幫分別布置注漿鉆孔。由于鉆孔參數(shù)將影響注漿的效果，為進(jìn)一步提高圍巖的強(qiáng)度，依據(jù)工作面的圍巖性質(zhì)，注漿鉆孔交錯(cuò)進(jìn)行，頂板和兩幫鉆孔深度分別為4.5m和6m，孔徑為5mm，間距為3～4m。

注漿管采用小于鉆孔半徑的鋼管，注漿壓力為5MPa以上。當(dāng)注漿完成后，使用袋式封孔方式快速封孔，保證注漿液能夠深入到巖層裂隙，黏聚破碎圍巖裂隙，減小松動(dòng)圈，達(dá)到提高圍巖的剛度和抗剪強(qiáng)度目的。4203工作面兩巷注漿鉆孔示意圖如圖3所示。

圖3 巷道注漿管與封孔圖

4203工作面兩巷斷層區(qū)域采用注漿加固后，采用“十字布點(diǎn)”的方式監(jiān)測(cè)巷道的圍巖變形量，驗(yàn)證支護(hù)效果。通過(guò)“十字布點(diǎn)”監(jiān)測(cè)運(yùn)輸巷1個(gè)月時(shí)間頂板位移量，監(jiān)測(cè)結(jié)果見表3。

表3 “十字布點(diǎn)”監(jiān)測(cè)運(yùn)輸巷頂板下沉量

由表3可知，運(yùn)輸巷采用注漿加固后，巷道頂板下沉速率逐漸減小，巷道趨于穩(wěn)定。由此可知，注漿加固圍巖取得了良好的效果，有效減小了圍巖變形量，保證了工作面安全回采。

6 結(jié)論

(1)以4203工作面為研究對(duì)象，采用FLAC3D模擬F6斷層區(qū)域注漿前后圍巖變形量和塑性區(qū)分布，通過(guò)開采前后模擬結(jié)果可知，采用注漿加固后，圍巖塑性區(qū)范圍、頂?shù)装逦灰屏坑辛嗣黠@的減小。注漿改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高了圍巖的剛度和抗剪強(qiáng)度。

(2)根據(jù)工作面地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了注漿鉆孔、注漿液等參數(shù)及施工工藝。采用“十字布點(diǎn)”的方式監(jiān)測(cè)巷道的圍巖變形量，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，注漿加固后運(yùn)輸巷頂板下沉速率逐漸減小，巷道趨于穩(wěn)定，注漿加固有效減小了巷道圍巖變形量。