晉邦德礦14207工作面過斷層圍巖控制技術研究

李殿蛟

摘 要：晉邦德礦14207工作面，在掘進過程中探測到前方遭遇正斷層，通過對巷道松動圈的監測，得出原支護方案不足以回風大巷安全通過斷層，再基于松動圈理論基礎上，提出新的支護方案，以期使巷道安全順利的通過斷層破碎帶，并且通過Flac 3D對新支護方案進行模擬，驗證該方案的可行性，并且對14207工作面實施優化改造，優化后監測結果顯示，巷道過斷層時，圍巖穩定，保證礦井的安全生產。

關鍵詞：數值模擬;過斷層;圍巖控制;注漿鉆孔

1 礦井概況

晉邦德礦井田面積達到9.011km2，產量為1.2Mt/a，開采的深度1120m至740m，井田南北約4km，東西約為3.5km。14207工作面走向長度1203m，傾斜長度280m，采區主采8#煤，煤層厚度為3.8～4.8m，均厚4.5m，煤層直接頂為L1泥灰巖，均厚為2.32m，普式硬度為7.5，基本頂為粉砂巖，均厚2.33m，普式硬度5.3，直接底為粉砂質泥巖，均厚為0.97m，普式硬度4.5，老底為粉砂巖，均厚為3.60m，普式硬度為5.3。當14207工作面掘進進至70m時會遭遇正斷層F18506-4，該斷層走向350°，傾向80～346°，傾角68°，落差為1.5～3m，對掘進影響程度極大。

2 圍巖破壞分析

2.1 圍巖松動圈實測

晉邦德礦14207工作面為煤巖巷矩形斷面，并且加噴射C25混凝土，厚度為150 mm，鋪底厚度為150 mm，強度為C30。原支護方式難以安全通過斷層，需對巷道圍巖進行分析后提出優化方案。為了探究巷道在遇斷層時圍巖破壞分析，在巷道斷層附近，由遠至近間距為3m建立五組測站來進行松動圈監測。通過實測可知，測站距離斷層較遠，松動圈范圍在1.82m左右，隨著巷道接近斷層松動圈范圍逐漸增大，臨近斷層位置測站Ⅴ松動圈大小為1.97m，相對正常巷道松動圈范圍擴大了0.15m，故原有2.2m長的錨桿在斷層附近產生脫錨現象原因為錨固長度嚴重不足。針對原支護方案進行優化設計，采用柔性結構加強支護。

2.2 掘進優化方案

由于原巷道變形嚴重，晉邦得礦經研究決定采用“水泥和水玻璃”這種雙漿液的注漿方法，對斷層圍巖進行加固。采用預留巖冒注漿，第一階段原有巷道掘進繞道，繞道與斷層走向垂直，第二階段預留巖冒，第三階段注漿。

首先進行小斷面的開挖支護，為注漿作業創造臨時工作面，開口位置斷面為高2.3m，寬3.7m，深2m，并進行錨噴網支護。注漿參數主要有以下四點：①雙液漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥和模數2.8～3.1、濃度30～ 35°Be’的水玻璃;②初期注漿壓力不超過2MPa，3次成孔后最大不超過4.5MPa。注漿開始前應進行壓水試驗，測試系統的密封性和安全性，壓水試驗的壓力達到2MPa，3次孔后壓力達到4.5MPa后，穩定15min無異常時，即可開始正式注漿施工;③孔口管采用2寸半焊管，單根長3m，單側帶高壓法蘭，一側帶螺紋，法蘭側加焊點，在初期對稱布置5個注漿孔，平均高度距底板1.6m，鉆孔采用2次成孔方式，開孔直徑為93mm，孔深2.5m，終孔直徑65mm，終孔深度根據鉆孔鉆探結果確定斷層厚度，水平鉆進長度超過斷層最遠位置3m，所有鉆孔與巷道斷面外揚成36°角。

結合斷層處圍巖破壞機理，利用松動圈支護理論針對14207工作面軟巖巷道提出了新的支護方案，以期使巷道安全順利的通過斷層破碎帶。具體方案為：在巷道穿越斷層破碎位置前后7～8m內采用“直墻半圓拱截面、‘錨索+錨桿+金屬網+噴砼+可縮性U型鋼支架+復噴砼’”的聯合支護技術。其斷面支護形式簡圖如圖1所示。

2.3 數值模擬分析

為探究優化方案的有效性，對優化方案進行數值模擬。14207工作面位于地下460m 深處，為直墻半圓拱斷面，巷道開挖尺寸為5.7m×4.4m（寬 ×高），凈斷面尺寸為5.4m×4.1m（寬×高），半圓拱半徑為2.7m，直墻高1.4m。模擬結果如圖2所示：

由圖2可知，圍巖主要發生剪切屈服和拉伸屈服，斷層核心位置塑性區明顯大于正常巷道的塑性區，究其根本是由于斷層破碎帶內圍巖巖性較差。在斷層前5m處巷道位于斷層上盤中，塑性區在巷道底板范圍較大達到圍巖2.2m深處，巷道頂板相對較小在1.7m左右，兩幫平均塑性區厚度在1.9～2.1m;斷層核心破碎區位置塑性區相對較大，兩幫拱角處及底角處塑性區厚度達到了2.5～3.5m，兩幫塑性區厚度也在3m左右;巷道遠離離斷層5m后，位于斷層下盤中，頂板塑性區相對斷層前5m處有一定發育，拱角處略微增大至1.85m，而底板處塑性區相對斷層前5m處略微減小，厚度在2m左右，可保證巷道圍巖的穩定性。

2.4 監測效果分析

為了探究實際應用效果，對巷道頂板離層量進行監測。測站的布置應考同時慮實際生產情況和現場施工環境進行布置，盡可能布置在巷道原巖應力較大或出現應力集中的斷面。故測站布置在繞道后過斷層位置，在穿過斷層前6m、穿過斷層后6m各建立一測站，進行為期60天的來保證巷道安全施工的進行并實時監測。

測站一的頂板離層變化較快，10d內頂板淺部離層迅速增長至10mm，深部離層逐漸增長至3mm，10d后頂板離層量逐漸增大，30d后淺部離層增大至14mm，淺部圍巖已穩定，而深部離層增大至6mm，35d后繼續增大至7mm，之后深部離層量也進入穩定狀態。

測站二的頂板離層較大，開挖后淺部圍巖首先出現離層情況，2d后深部圍巖才亦出現離層，前10d離層變化較為明顯，離層量增長速率較大，10d后離層量繼續增長，但增長速率較小，30d后淺部離層幾乎達到穩定;40d后深部離層也達到穩定狀態。

由此可知：頂板離層主要發生在前10d內，之后頂板離層增量較小;圍巖深部離層量（2.6～7.3m）要小于淺部離層量（0～2.6m），但其穩定周期要比淺部離層延長5～10d;斷層位置深部和淺部離層量都明顯大于斷層前后巷道頂板的離層量且穩定周期相對較長，斷層上盤離層量略大斷層下盤離層量，巷道圍巖穩定。

3 結語

晉邦德礦通過對巷道松動圈的監測，得出原支護方案不足以回風大巷安全通過斷層，再基于松動圈理論基礎上，提出新的支護方案，以期使巷道安全順利的通過斷層破碎帶，并且通過Flac3D對新支護方案進行模擬，模擬結果顯示新支護方案的可行性，并且對14207工作面實施優化改造，監測結果顯示，巷道通過斷層時圍巖穩定，保證礦井的安全生產。

參考文獻：

[1]李啟發.大采高工作面過斷層數值模擬與圍巖控制技術[J].西部探礦工程，2019，031（010）：181-183，196.