巷道掘進過交互斷層冒頂處理實踐

牛華雷

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原030024；2.潞安集團余吾煤業公司，山西 長治046100）

巷道掘進過程中，頂板若未及時支護，則容易造成頂板彎曲、掉渣和冒漏，嚴重時會造成掘進停滯，甚至安全事故。資料顯示，我國頂板事故約占總事故數的40%左右，而巷道掘進過程中的頂板事故約占總事故數的20%左右〔1〕。斷層作為巷道掘進過程中常見的地質構造，在其形成過程中常伴隨著能量釋放，故斷層附近圍巖較破碎。當掘進穿過斷層帶或經過斷層帶附近時，往往會因頂板破碎程度較高而造成掘進冒頂事故〔2－4〕。實踐發現，掘進巷道在斷層附近的冒頂較難處理，若處理不當甚至會擴大冒頂事故影響范圍。因此，分析研究掘進過斷層時冒頂事故的預防和處理對于提高安全生產水平和保護職工安全具有重要的意義。

1 巷道工程概況

山西某礦設計能力為1.2Mt／a，其31501工作面為西翼采區首采工作面，所采煤層為15＃煤層，煤層厚度為1.7～4.3m，平均為3.2m；煤層傾角為24°～42°，平均傾角為37°；工作面埋深為646～652m，平均為648m。該工作面設計走向和傾向長度分別為680m和120m，工作面頂底板均為泥巖～砂質泥巖～粗粒砂巖，巷道斷面設計為矩形，凈斷面尺寸為3600mm×2800mm，巷道掘進方式為炮掘。巷道支護形式為“錨網索”聯合支護，巷頂和巷幫均采用Φ22mm×2200mm的無縱筋左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800mm×800mm；巷頂采用Φ18.9mm×6300mm的小直徑預應力錨索，錨索單列布置，排距為1600mm。工作面回風巷在掘進過程中共揭露4條斷層，即F1、F2、F3和F4，4條斷層均為正斷層，落差范圍在2～4.5m，其中F2和F3為交錯斷層，在掘進過程中在F2和F3斷層中出現冒頂，冒頂尺寸（高×長）為（1～3m）×4m，冒落形狀近似漏斗狀，且隨著掘進有加劇趨勢。

2 巷道冒頂原因分析

1）斷層是引起冒頂的主要因素，F2和F3斷層相互交錯，致使兩斷層影響范圍內的巷道圍巖較破碎，應力集中現象較明顯；巷道頂底板巖層為泥巖～砂質泥巖～粗粒砂巖，節理裂隙較發育，遇水后圍巖松軟膨脹，巷道原巖平衡結構遭到破壞，巖層自承載能力、抗拉和抗剪強度大幅度降低，促使頂板冒落現象發生；巷道掘進工程擾動進一步加劇斷層附近圍巖的破碎和冒落，31501工作面回風巷采用放炮掘進，破巖震動強度較大，容易誘發斷層附近不穩定圍巖出現大面積垮落。

2）煤層賦存狀態對頂板穩定性影響較大。31501工作面所采煤層厚度為1.7～4.3m，煤層傾角為24°～42°，埋深為646～652m。可知，該工作面煤層厚度變化較大，煤層傾角較大，且平均采深超過640m，整體屬于較深水平開采的急傾斜工作面。這樣的工作面巷道圍巖應力較高，但自穩和自承載能力較弱，巷道支護和維護較難，易造成冒頂〔5〕。

3）支護滯后和不善也是引起巷道冒頂的主要原因。巷道掘進破巖后，頂板巖層遭到擾動和破壞，淺部巖層出現與深部巖層黏聚性差或者無聯系的巖塊，此時若不給予及時支護或者支護不善往往會造成頂板巖塊的冒落。在斷層帶附近，頂板巖層往往較破碎，若支護滯后則易出現冒頂；巷道支護不合理往往會因放炮擾動造成支護失效，進而出現冒頂。

3 冒頂處理方案及實施

3.1 施工方案的確定

31501工作面風巷在掘進過程中受到F2和F3交互斷層的影響，出現了一定范圍的冒頂。為了處理冒頂區域和預防冒頂范圍的進一步擴大，經研究分析后決定在冒頂區域注入聚乙烯封堵劑對空頂進行填實，防止空頂裸露和有害氣體積聚；在冒頂區域附近注入馬麗散進行頂板化學注漿加固，將冒頂區域及附近的破碎圍巖膠結為一個整體，提高巷道的完整性和自承載能力。

馬麗散是一種低黏度聚亞胺膠脂材料，是由樹脂和催化劑按照1∶1混合后生成具有高膨脹率和高抗壓性的惰性泡沫。馬麗散被廣泛應用于頂板加固和堵水，具有很好的機械性能，被注入破碎巖層內后，低黏度液體化合物經幾秒后即可滲入巖層裂隙巖層緊密黏合，從而達到巖層加固和裂隙密封的作用〔6〕。考慮到馬麗散具有高黏合能力、強機械性能并且具有良好的柔韌性，決定將其應用到31501工作面回風巷斷層破碎帶的加固作業中。

3.2 注漿加固工藝的實施

3.2.1 鉆孔的布置

利用馬麗散對冒頂區域上方和冒頂前方5～7m范圍內的破碎巖體進行加固。布孔：沿巷道走向方向在冒頂區域布置12個42mm鉆孔，鉆孔呈兩列六排布置，間排距為1200mm×1500mm，鉆孔仰角為45°，孔深5～12m不等。在圍巖破碎嚴重地帶，根據實際情況可以增加鉆孔，優化鉆孔角度和深度；對于裂隙發育地帶，可以根據注漿效果適當增加注漿量，原則上每孔注漿量不超過0.3t。馬麗散加固巷道圍巖之后，采用小循環掘進緩慢通過冒頂區域。在冒頂區域的空頂范圍內下方垂直頂板打設鉆孔，鉆孔以超過通過馬麗散加固后形成的再生頂板為準；鉆孔分別距離冒頂孔口1.0m、2.0m、3.0m和4.0m，鉆孔采用主副孔布置，每組鉆孔各含有一個主鉆孔和三個副鉆孔，主孔以封堵空頂區為主，副孔兼有封堵空頂區和密封加固作用；由于該冒頂形狀呈現漏斗形，冒頂區域范圍內冒頂深度相差較大，故鉆孔的深度應以實際情況進行調整；鉆孔完畢后注入聚乙烯封堵劑對冒頂區域空頂區進行封堵。

3.2.2 注漿工藝

① 采用馬麗散進行破碎頂板加固，注漿設備采用小型多功能氣動注漿泵，注漿壓力為5～8MPa。依據設計進行注漿孔施工，施工結束后穿入注漿孔；連接注漿槍和注漿泵后，檢查泵、管路和閥門等是夠正常；設備檢查完畢后，將吸料管插入馬麗散樹脂桶和催化劑桶通過馬達將兩種液體經活塞進入吸料管，然后輸送至注射槍內；馬麗散樹脂與催化劑在注射槍內以體積比1∶1混合后注入破碎巖層，混合物在破碎巖層內沿裂隙滲透，經過極短時間兩種液體發生反應，將破碎圍巖巖塊黏合在一起。待破碎圍巖出現嚴重漏漿方可進行下一鉆孔的注漿，對于圍巖及其破碎的地帶可以采用間歇式往復注漿，直到注漿效果滿足黏合破碎圍巖為止。馬麗散注漿加固巖層施工工藝系統布置見圖1。

② 在利用馬麗散對冒頂區域破碎巖層進行加固后，采用聚乙烯封堵劑對冒頂區域的空間區進行填充。為了提高設備利用率，采用多功能氣動注漿泵配合壓風管、出漿管等對空頂區鉆孔進行注漿。設計接入風壓為0.5～0.6 MPa，注漿壓力控制在3.0～4.0MPa，待圍巖巖壁和頂板出現嚴重漏漿或者注漿壓力明顯升高方可進行下一鉆孔的注漿。

圖1 馬麗散注漿加固破碎圍巖施工工藝示意

4 冒頂處理效果

31501工作面回風巷F2和F3交錯斷層影響范圍內頂板冒落區域共打設17個鉆孔，消耗馬麗散和聚乙烯分別為3.6t和2.0t。通過注漿進行圍巖加固和空頂區填充，冒頂區破碎巖層形成了強度較高的統一整體，為掘進施工通過斷層帶和冒頂區提供了有力保證。對加固填充區采用鉆孔窺視和“十字測量法”觀測加固效果和圍巖變形情況。在實施注漿加固2天后，對巷道頂板進行鉆孔窺視，發現馬麗散沿裂隙滲透較均勻，馬麗散樹脂和催化劑反應后能夠將破碎巖體膠結在一起，有效地提高了巖層強度和自承載能力；聚乙烯封堵劑基本將空頂區完全填充，注漿效果較好，為巷道掘進提供了有力保證。巷道變形觀測結果表明，加固后的巷道變形較小，頂板下沉量和底鼓量僅為25mm和45mm，兩幫移近量不超過60mm，巷道變形對行人、運輸和通風影響基本可以忽略。

注漿加固和填充技術在31501工作面的冒頂區域的成功應用，為斷層尤其是交互斷層引起的冒頂治理提供了新的技術途徑。

〔1〕李愛昌 .煤礦掘進工作面常見冒頂事故的原因及防治措施〔J〕.采礦技術，2003，3（3）：42－43.

〔2〕劉洪林，柏建彪，馬述起，等 .斷層破碎頂板冒頂巷道修復技術研究〔J〕.煤炭工程，2011，（4）：76－78.

〔3〕齊 干，唐強達 .旗山礦深部斷層冒落巷道修復技術研究〔J〕.煤炭工程，2009，（7）：67－69.

〔4〕張 旭 .掘進巷道冒頂事故的原因及防治措施〔J〕.山西能源與節能，2009，（4）：32－33.

〔5〕蓋增雪 .煤礦掘進工作面冒頂事故的預防及處理技術〔J〕.河北煤炭，2011，8（3）：19－20.

〔6〕高新亞 .馬麗散加固技術在巷道過大斷層處理冒頂的應用〔J〕.煤礦現代化，2010，（6）：123－126.