辛置礦10-430B采面區段平巷破碎段控制與治理實踐

申亞峰

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州031412）

1 10-430B1采面工程地質條件

新置煤礦10-430B采面布置于二水平東四采區，成型采面位于左翼皮帶巷右側，北部為10-428A工作面（已圈定），西部緊鄰東四左翼軌道巷，南部為10-428A1巷區段巷道。所回采10#煤層埋深+418～+456m，煤層傾角為2°，為近水平煤層。煤層厚度為1.95～2.78m，平均煤厚為2.62m，內部不含夾矸，結構簡單。在頂底板巖性構成中，直接頂由9#煤層和泥巖組成，呈黑色層狀分布，直接頂內節理較發育。老頂為灰色K2石灰巖，厚層狀分布，節理不發育，兩者共同組成較為穩定的頂板。底板為砂質泥巖和中-細砂巖，含黃鐵礦結核，遇水易軟化破壞，發生底鼓現象。

10-430B1平巷為430B采面配套運輸平巷，矩形斷面設計，巷道寬×高分別為5.0m×3.5m。當平巷開掘至430A1巷29#導線點146m處，揭露有煤層斷層構造帶，該破碎段內地質結構復雜，圍巖松散、破碎，導致頂、底板巖層頻繁出現兜網、片幫和底鼓等災害。原有支護方案無法滿足巷道安全掘進需求，斷面成型效果差，為施工人員、設備安全和巷道高效掘進帶來嚴峻挑戰。基于此，430B1運輸平巷與采面位置關系如圖1所示。

圖1 430B1運輸平巷位置關系

2 圍巖破碎段巷道變形原因與治理方案

2.1 430B1平巷圍巖破壞原因

1）破碎段構造運動影響。在地質成煤過程中，煤層與頂、底板巖石強度受構造運動作用，導致內部斷層、節理、構造力分布狀態不盡相同。同時，一水平煤層采收作業的完結，導致上覆老頂發生規律性破斷，也極大改變了二水平巖（煤）層中的原巖應力分布。在兩者共同下，10#煤層區段巷道破碎段內原巖應力分布呈現不均勻和無規律性。另一方面，在430B1運輸平巷掘進中，揭露有Z01～03、F01～03編號正、逆斷層，并與其它小型斷層共同組成430采面的斷層群，也為巷道圍巖控制增加了難度。

2）采動壓力與巖性變化影響。430B1運輸平巷所服務10#煤層埋深約450m，埋藏深度的增加，使得煤層內水平應力明顯高于垂直應力。在區段平巷掘進時，較高的水平應力顯著提升了巷幫處載荷峰值，進一步改變頂板、兩幫向巷道內變形和位移值[9]。在揭露斷層破碎段內，破碎巖石的力學強度明顯低于完整巖樣，內部泥巖含量較高，屬于弱膠結軟巖。開掘后，所暴露破碎巖石風化、遇水膨脹現象更為明顯。除此之外，破碎段內破壞范圍與圍巖節理發育密切相關，主要表現為局部圍巖發生隨機的小范圍結構性破壞，這也為圍巖穩定性控制增加難度[10]。

2.2 破碎段圍巖破壞失穩范圍與控制方案

當430B1平巷開掘至破碎段后，松散、破碎圍巖導致巖石力學性能持續降低，進而促使巷道變形量增大，僅依靠吊環式前探臨時超前支護難以保證效果。不僅嚴重降低了施工效率，也對人員安全構成極大威脅。在超前預注漿充填破碎巖層技術中，通過注入不同組分的漿液，進而提升破碎巖石膠結性能與自身承載力，與其它主動支護相配合可有效控制破碎段變形[12,13]。在新置煤礦注漿材料選定與施工中，主要由無機礦粉和硅酸鹽水泥類漿料為主。因此，不同水灰比的無機礦粉注漿材料膠結強度表1所示。

表1 不同水灰比條件下漿料固結強度

當430B1運輸平巷過F01斷層破碎段時，平巷永久支護斷面尺寸為5m×3.5m。根據前期破碎段鉆孔探查結果以及鉆孔、注漿裝備布置，最終確定超前預注漿鉆孔長度為15m。注漿鉆孔沿開挖斷面向外輪廓方向延伸，外擴角4°。頂板注漿孔間距為270cm，兩幫注漿孔間距為240cm，共布置7個注漿孔。選用水灰比為0.8：1的無機礦粉作為骨料，超前預注漿鉆孔施工布置圖如圖2所示。

圖2 超前注漿鉆孔布置

在超前注漿新支護方案中，結合注漿后巷道塑性區方程，提出了治理430B1運輸平巷過破碎段的“超前預注漿+錨索網”新型支護方案。新支護方案內容如下：

除預注漿改善圍巖破碎工藝，為控制頂板巖層下沉，額外布置6根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨桿屈服強度不低于500MPa，間排距為900mm×1000mm，預緊力不小于20kN，肩部錨桿外延角度為15°。頂板錨索采用1×19股高強鋼絞線制作，錨索間排距為2000mm×2000mm，每排布置2根，錨索預緊力不小于300kN。在巷幫支護中，兩幫處各布置4根錨桿，幫部錨桿間排距為1000mm×1000mm。與肩錨桿相同，兩幫部頂、底兩根錨桿分別向上、向下傾斜15°。幫部錨索規格與頂板錨索相同，但間排距調整為1600mm×2000mm。巷道支護斷面設計如表2、圖3所示。

表2 原支護設計參數

圖3 430B1平巷支護斷面

3 430B1運輸平巷預注漿控制破碎圍巖效果

3.1 破碎段圍巖控制數值模型

根據所開采10#煤層地質情況，使用FLAC3D有限元軟件，建立起破碎段圍巖塑性破壞數值模型，研究注漿注漿前后，圍巖塑性區變化。所建立模型長度×寬度=20m×15m，掘進面尺寸如節1所示。劃分網格后，共使用31350個單元以及30187個節點。在邊界條件設置中，模型頂部為壓力邊界，施加12MPa上覆巖層壓力。四周根據10#煤層地應力測試實驗，施加16.78MPa水平側向應力。模型內參數如表3所示。

表3 數值模型參數

3.2 注漿作用下塑性區范圍變化

圖4 430B1平巷支護斷面

430B1運輸平巷注漿膠結作用下塑性區對比如圖4所示。在圖中，當迎頭接近破碎段時，有無預注漿對圍巖塑性區的擴展有明顯影響。注漿前，破碎段巖層力學性能的降低，在地應力作用下，使得巷道頂板、底板出現冒頂與底鼓現象，并且圍巖塑性區是平巷半徑的1.5～2.5倍。在注漿治理方案中，注漿后的漿液與破碎巖石膠結為一體，減少了圍巖單元拉伸、剪切破壞單元，及時改善了圍巖力學強度，減小了底板底鼓與頂板下沉量。對比圖4未注漿時巷道塑性區，塑性破壞區范圍減小了40%以上，達到有效控制巷道圍巖變形的目的。

3.3 破碎帶治理效果

為監測430B1運輸平巷破碎段支護控制效果，依據掘進要求，在掘進成巷一側布置有2處測點，用于收集過破碎段后的圍巖變形數據。按照作業規程要求，成巷斷面頂板監測方法有兩種，一是安裝機械式頂板離層儀和錨桿（索）壓力表，主要收集巷道頂板離層量和錨桿受力狀態。二是采用十字布點法監測斷面位移，采集內容包括頂底板相對移近量，兩幫相對移近量。根據監測內容，監測點1、2處圍巖變形規律如圖5所示。

如圖5所示，在監測點處圍巖變形趨勢中，經“注漿+錨網索”加固作業后，圍巖頂底板變形均呈現前期變形劇烈，后期逐漸趨緩的趨勢。在圖5a中，注漿前頂板最大變形400mm，遠超出錨桿拉伸極限。顯然，原有支護方案無法滿足控制頂板變形的目的。當注漿后，掘進迎頭處頂板最大下沉量僅為150mm，經加固后，頂板下沉量減少50%以上，極大保證巷道圍巖安全。與頂底板絕對變形量相同，當平巷開掘后，頂底板變形速率也呈現逐漸減小的趨勢。觀察伊始，頂板監測點1處最大變形速率為60mm/d。經注漿作業后，頂板最大變形速率下降至43 mm/d。通過改進后加強支護方案，可以在較短時間內，將頂底板變形控制在300mm安全限定以內，達到改造巖層強度的目的。

圖5 430B1平巷內圍巖變形量

4 結 論

1）當430B1采面過地質構造區域時，破碎段圍巖受地質構造運動、地應力和隨機節理共同影響，使得圍巖松散破碎，巷道內頂、底板變形嚴重，極大的增加后續返修工作量。

2）在虎克-布朗理論與數值模型基礎上，驗證了“超前預注漿+錨索網”支護方案的合理性。新型漿料有效提升了破碎段內圍巖力學性能，使圍巖承載能力極大提升，錨索網的聯合支護能有效控制破碎帶內變形。相較于原支護方案，注漿后頂板最大移近量下降至160mm，使破碎帶內大變形得到有效控制。

3）在錨索網支護中，通過加固巷道肩部、底角，可有效控制頂板離層與巷幫塑性區向巷道內的擠壓變形。在提高巷幫圍巖自身承載力基礎上，同時削弱巷幫應力向頂、底板圍巖內轉移。