李國(guó)軍

(霍州煤電集團(tuán) 晉北能化有限責(zé)任公司，山西 靜樂(lè) 035000)

斷層是在地質(zhì)作用下巖層上下盤(pán)發(fā)生明顯相對(duì)的位移錯(cuò)動(dòng)而形成的一種不良工程地質(zhì)。在斷層的影響下，賦存穩(wěn)定的巖體穩(wěn)定性顯著下降，表現(xiàn)出圍巖破碎，承載性能降低等特性[1-2]。因此，在工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程遭遇斷層時(shí)，需要及時(shí)探測(cè)斷層的具體形態(tài)，同時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，防止發(fā)生嚴(yán)重的冒頂或者巷道變形。

目前對(duì)于巷道的支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)主要是主動(dòng)支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)和被動(dòng)支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)兩種方式，即巷道圍巖注漿加固和錨桿索補(bǔ)強(qiáng)[3-5]。本文以汾源煤業(yè)5-1021巷掘進(jìn)時(shí)遭遇大斷層為工程背景，展開(kāi)巷道過(guò)斷層圍巖控制應(yīng)用研究，保證了巷道掘進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)。

1 工程背景

汾源煤業(yè)5-1021工作面位于一采區(qū)，煤體賦存穩(wěn)定，開(kāi)采煤層是5號(hào)煤，平均煤厚為15.45 m，煤層傾角23～27°，平均25°。工作面走向長(zhǎng)度為632 m，傾向長(zhǎng)100 m。煤層直接頂為平均厚度為1.0 m的泥巖，薄層狀，質(zhì)地較軟；基本頂為平均厚度為5.09 m的泥質(zhì)灰?guī)r，以粉砂泥質(zhì)為主，硬度較小。煤層直接底為厚度約為2.1 m的泥巖，有明顯的水平層理，巖性較軟，基本底為堅(jiān)硬的細(xì)砂巖，平均厚度約為5.2 m。

工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程揭露一條正斷層，斷層產(chǎn)狀為132°∠55°，落差為12.25 m。為了防止繼續(xù)揭露斷層導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生嚴(yán)重破壞，計(jì)劃開(kāi)展對(duì)斷層影響范圍內(nèi)巷的支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)。

2 過(guò)斷層巷道圍巖補(bǔ)強(qiáng)方案

為保證5-1021巷的安全掘進(jìn)，同時(shí)為今后工作面安全回采提供條件，需要對(duì)斷層影響范圍內(nèi)巷道展開(kāi)支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，主要從補(bǔ)打巷道錨桿索和巷道破碎圍巖注漿加固兩個(gè)方面展開(kāi)。

2.1 巷道圍巖注漿加固

在補(bǔ)打錨桿索之前，如果首先對(duì)巷道圍巖展開(kāi)注漿加固，可以有效地防止由于圍巖破碎而使錨桿索的錨固效果減弱的風(fēng)險(xiǎn)。已知5-1021巷斷面為矩形，巷道斷面的平均尺寸寬×高=4.4 m×3.1 m。根據(jù)巷道的形態(tài)特征設(shè)計(jì)了注漿加固方案，鉆孔布置如圖1所示。

圖1 5-1021巷注漿鉆孔布置示意

如圖1所示，注漿加固的注漿孔布置主要在巷道的頂板和兩幫。在巷道頂板布置3個(gè)注漿孔，沿走向呈三花眼布置，中間的注漿孔的位置與巷道中軸線重疊，頂板注漿孔深均為10 m。同一斷面內(nèi)，頂板注漿孔的水平間距為2.0 m。兩邊的注漿孔設(shè)計(jì)的傾角為75°，與幫部水平距離為0.3 m。

工作面幫部和煤柱幫部的注漿孔布置方案一致，注漿孔均水平布置，垂直于幫部。上排鉆孔距離頂板0.4 m，上下兩排注漿孔的垂直距離為1.5 m。兩幫的注漿鉆孔深度均為8.0 m，注漿孔的直徑均為76 mm。沿著巷道走向，幫部的注漿鉆孔均呈三花眼布置，同一排的注漿鉆孔間距為3.0 m。

注漿加固采用一種礦用的單液無(wú)機(jī)材料，該材料對(duì)環(huán)境無(wú)污染，與水混合后放出熱量較小。當(dāng)注漿材料水灰比為1∶1時(shí)，材料與水混合后在10 min內(nèi)不凝固，60 min后強(qiáng)度可達(dá)2.8 MPa，1 d后強(qiáng)度可達(dá)11.5 MPa，3 d后強(qiáng)度可達(dá)15.6 MPa，能夠有效地加固破碎圍巖。

注漿加固系統(tǒng)主要是采用兩個(gè)100 L的攪拌桶制備材料漿液，需要在桶內(nèi)設(shè)置好水位線，采用人工上料和加水的方法使材料混合均勻，隨后通過(guò)氣動(dòng)泵注漿。所有注漿孔的注漿壓力均設(shè)計(jì)在4～5 MPa。

注漿需要先加固兩幫后加固頂板，因此注漿順序也應(yīng)與之保持一致。如果發(fā)現(xiàn)有漏漿現(xiàn)象需要注漿壓力，或者暫停注漿，及時(shí)清理管路后，待漿液在煤壁中凝固后繼續(xù)注漿，原則上每個(gè)注漿孔注漿量均以注滿為標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)方案

巷道圍巖在注漿加固后整體穩(wěn)定性得到提高，故而錨桿索補(bǔ)強(qiáng)加固效果會(huì)更好。因此，根據(jù)巷道斷面重新設(shè)計(jì)了斷層影響帶的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案。由于斷層具有落差，而且揭露處在進(jìn)風(fēng)巷的工作面煤體一側(cè)，因此在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)，主要以加固頂板和工作面煤體側(cè)，而煤柱以此受到斷層的影響較小，故而可以采用較小的支護(hù)參數(shù)。主要是錨桿索加固以及工字鋼、菱形網(wǎng)結(jié)合的補(bǔ)強(qiáng)方法。巷道斷面的支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 巷道斷面支護(hù)示意(mm)

巷道頂板的支護(hù)主要由錨桿錨索支護(hù)組成，其中錨桿選用型號(hào)為D22 mm×2 500 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿。頂板共布置5根錨桿，錨桿間距為1 000 mm，兩邊的錨桿距離幫部約200 mm，傾斜仰角設(shè)計(jì)為70°。同時(shí)，頂板需要補(bǔ)打兩根型號(hào)為D17.8 mm×8 300 mm的鋼絞線錨索。從巷道的斷面圖來(lái)看，錨索的位置與錨桿位置重合，距離幫部的水平距離為1 300 mm，兩根錨索的間距為2 000 mm。錨索與錨桿間隔布置，沿著巷道走向，錨索排距為5 m，錨桿的排距為3 m。

由于斷層在工作面煤幫部分，故而在設(shè)計(jì)支護(hù)時(shí)需要適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。選用型號(hào)為D20 mm×2 500 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼，上下兩排錨桿。上排錨桿仰角設(shè)計(jì)為15°，距離頂板400 mm，下排錨桿垂直于煤幫布置，并且與上排錨桿排距為1 500 mm。煤柱幫部一側(cè)的錨桿選擇D16 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，錨桿的布置與工作面煤幫一致。

施工中，所有的錨桿索的錨固劑均使用樹(shù)脂錨固劑，型號(hào)為MSK23355。頂?shù)装甯邚?qiáng)度螺紋鋼錨桿的錨固長(zhǎng)度為500 mm，錨索使用的樹(shù)脂錨固劑型號(hào)為Z2350,錨固長(zhǎng)度為1 000 mm。同時(shí)，為了增大巷道內(nèi)的柔性支護(hù)，在5-1021巷道內(nèi)均布置菱形金屬網(wǎng)，搭接長(zhǎng)度為300 mm，同時(shí)在金屬網(wǎng)上固定600 mm×30 mm的短節(jié)鋼帶。

3 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)分析

巷道變形量的大小能夠反映巷道圍巖補(bǔ)強(qiáng)方案的合理性，因此在5-1021巷完成圍巖注漿加固和錨桿索支護(hù)后，在該范圍內(nèi)設(shè)計(jì)巷道變形的觀測(cè)點(diǎn)。從揭露斷層點(diǎn)為起始點(diǎn)，每間隔10 m布置一個(gè)，巷道的變形數(shù)據(jù)每3 d統(tǒng)計(jì)一次，共統(tǒng)計(jì)16次。

將其中一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的巷道數(shù)據(jù)整理后，繪制出巷道變形特征曲線，以此分析巷道注漿加固和錨桿索補(bǔ)強(qiáng)的效果，如圖3所示。

圖3 5-1021巷道變形特征分析

由圖3可知，5-1021巷頂板下沉量整體大于兩幫移近量，兩者隨巷道掘進(jìn)而發(fā)生變形趨勢(shì)保持一致。在統(tǒng)計(jì)巷道變形量的48 d內(nèi)，前10 d范圍內(nèi)的巷道變形速率最快，隨后變形速率降低，前15 d是巷道主要變形的時(shí)期。根據(jù)之后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，巷道變形趨于不變，其中頂板最大下沉量穩(wěn)定在91.5 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在68.7 mm。

根據(jù)巷道變形特征可知，巷道整體變形量小，巷道圍巖得到有效控制，進(jìn)一步表明過(guò)斷層巷道圍巖補(bǔ)強(qiáng)方案合理，圍巖控制效果良好。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)5-1021巷揭露斷層的特征，結(jié)合巷道的斷面形態(tài)，設(shè)計(jì)了巷道圍巖注漿加固鉆孔布置、注漿工藝，以及巷道錨桿索的聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)加固方案。

2) 通過(guò)觀測(cè)巷道圍巖的變形特征發(fā)現(xiàn)，采用先注漿補(bǔ)打錨索的巷道，在過(guò)斷層期間整體的變形量較小，最大頂板下沉量為91.5 mm，兩幫移近量為68.7 mm，表明該方案有效控制了斷層影響的巷道圍巖變形。