張亮

（晉能控股煤業(yè)集團 晉城煤炭事業(yè)部，山西 晉城 048000）

0 引 言

統(tǒng)計資料顯示，斷層構(gòu)造在各種誘發(fā)煤壁和頂板事故中的占比較高，且斷層構(gòu)造極易引發(fā)煤壁片幫和冒頂事故?，F(xiàn)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(qū)主運巷為研究對象，在分析掘進(jìn)工作面過斷層頂板垮落、片幫、冒頂破壞機理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行深淺分帶剛?cè)狁詈献{施工方案可行性的數(shù)值模擬，并對加固效果進(jìn)行現(xiàn)場驗證，為該注漿加固技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

長平公司六盤區(qū)主運巷在向西掘進(jìn)的過程中，根據(jù)地測預(yù)報，前方存在兩處地質(zhì)異常區(qū)域（背斜影響區(qū)域和斷層影響區(qū)域）。六盤區(qū)主運巷由1 號橫川向西580～605 m 為背斜影響區(qū)域，兩翼傾角為2°～4°，局部最大可達(dá)8°，相對寬緩背斜。六盤區(qū)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(qū)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(qū)主運巷過地質(zhì)異常區(qū)域的施工安全，必須對其頂板控制進(jìn)行分析探討。六盤區(qū)主運巷長16 m、高3.5 m，掘進(jìn)工作面在過斷層過程中，采用注漿支護(hù)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(shè)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(jìn)至斷層周圍時，頂板圍堰節(jié)理、裂隙發(fā)育，在斷層的影響下出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫、冒頂，表明原支護(hù)方案無法滿足掘進(jìn)工作面正常推進(jìn)要求。

2 頂板控制技術(shù)

結(jié)合正斷層破斷機理及長平公司六盤區(qū)主運巷現(xiàn)場實際情況，提出深淺分帶剛?cè)狁詈献{控制技術(shù)，具體如圖2 所示。

圖2 深淺分帶剛?cè)狁詈献{支護(hù)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(jié)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(fā)泡倍數(shù)可達(dá)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(fā)育帶注入剛性無機漿液，向深部微裂隙帶內(nèi)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(jié)成強度較高的支撐結(jié)構(gòu)，并且將頂板淺部發(fā)揮載荷作用的圍巖固化成承載體結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮其承載性能。將漿液顆粒小的柔性有機發(fā)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(yīng)力影響下將注漿結(jié)構(gòu)體內(nèi)空洞擠密，同時釋放原位壓力，保證圍巖結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。該深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)能較好發(fā)揮支護(hù)作用和圍巖結(jié)構(gòu)的自載性能，并能有效控制頂板極限剪應(yīng)力。

六盤區(qū)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(jié)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(jù)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(shù)值模擬

3.1 模型創(chuàng)建

應(yīng)用FLAC3D 模擬軟件進(jìn)行實體建模。六盤區(qū)主運巷斷層帶地質(zhì)條件復(fù)雜，網(wǎng)格劃分困難，因此通過AutoCAD-ANSYS-FLAC3D 等系列技術(shù)構(gòu)建數(shù)值模型。其中掘進(jìn)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(wǎng)格的完整劃分；在此基礎(chǔ)上，單獨地將待開挖工作面作為1 個分組處理后導(dǎo)入ANSYS 軟件，結(jié)合工作面實際情況，進(jìn)行材料屬性及單元定義后劃分網(wǎng)格，拉伸成體；將所得出的數(shù)值計算模型轉(zhuǎn)化成FLAC3D 軟件能夠識別的格式，并重新進(jìn)行分組處理和相關(guān)參數(shù)的添加，隨即對相關(guān)數(shù)值展開模擬。應(yīng)用長40 m、寬44.5 m、高10 m 的Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，共包括71 650個單元和76 492 個節(jié)點，數(shù)值計算模型如圖3 所示，注漿體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 深淺分帶剛?cè)狁詈献{體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of deep and shallowzoning rigid-flexible coupling grouting body

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2 模擬結(jié)果

對六盤區(qū)主運巷斷層帶應(yīng)用深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)的加固支護(hù)效果主要體現(xiàn)在工作面塑性區(qū)破壞深度及位移等方面，因此對這兩方面進(jìn)行模擬分析，結(jié)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?cè)狁詈献{技術(shù)優(yōu)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(qū)破壞深度得到有效控制。

根據(jù)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?cè)狁詈献{加固技術(shù)應(yīng)用后頂板下沉量在6.5 cm 左右，采用優(yōu)化方案后工作面頂板圍巖屬性發(fā)生了顯著改善，淺部應(yīng)力也隨之消除。

4 應(yīng)用效果

按照深淺分帶剛?cè)狁詈献{施工要求進(jìn)行六盤區(qū)主運巷過斷層頂板支護(hù)處理，按照要求設(shè)置綜合礦壓觀測站對工作面煤壁以及頂板可能發(fā)生的位移情況進(jìn)行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果與原注漿方案位移值進(jìn)行比較，具體見表2 和表3。

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

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

根據(jù)表2、表3 可知，在采取支護(hù)方案支護(hù)30 d 后工作面過斷層頂板和煤壁移近量逐漸趨于穩(wěn)定，原方案下頂板移近量穩(wěn)定在350 mm 左右，而采取深淺分帶剛?cè)狁詈献{施工技術(shù)后頂板移近量穩(wěn)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?cè)狁詈献{施工后煤壁移近量僅為54.1 mm，降幅明顯。以上應(yīng)用結(jié)果的對比分析表明，深淺分帶剛?cè)狁詈献{施工技術(shù)應(yīng)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(wěn)定性顯著提高。

5 結(jié) 語

綜上所述，對于過斷層掘進(jìn)工作面，如果支護(hù)形式不適用，將導(dǎo)致支護(hù)強度不足，無法有效控制工作面軟弱圍巖變形，引發(fā)大面積斷層區(qū)域失穩(wěn)、片幫及冒頂事故的發(fā)生。本文以長平公司六盤區(qū)主運巷為研究對象，針對該掘進(jìn)工作面過斷層原支護(hù)方案支護(hù)強度不足導(dǎo)致片幫、冒頂?shù)葐栴}，提出深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)。通過FLAC3D 軟件對該新型注漿加固技術(shù)的應(yīng)用及加固效果進(jìn)行模擬分析，并應(yīng)用到工程實踐中?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，深淺分帶剛?cè)狁詈献{技術(shù)應(yīng)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(jìn)工作面過斷層頂板片幫、冒頂?shù)葐栴}，保障了工作面開采安全。