沖擊地壓礦井綜放工作面過斷層技術

李晶昆，白 楊

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713602)

0 引言

斷層、褶曲等地質構造是誘發綜放工作面沖擊地壓的重要影響因素之一[1]。陜西彬長孟村礦井東西長約10.6 km，南北寬約8.3 km，面積63.59 km2。礦井主采煤層4號煤厚0～26.30 m，礦井4號煤層屬于Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性的煤層；頂板巖層屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的頂板巖層，陜西彬長孟村礦業有限公司定性為嚴重沖擊地壓礦井[2]。沖擊地壓具有突發性、瞬時性、破壞性、反復性、致災性的特點，孟村礦區沖擊地壓災害形勢較為嚴峻。綜放工作面過斷層極易誘發沖擊地壓以及頂板災害，為解決此類復雜問題，孟村礦井401101工作面在過斷層期間采用順槽注漿錨索補強加固、順槽深孔爆破等措施，以期保障工作面的順利推進。

1 工作面概況

401101工作面是孟村礦井首采工作面。采煤方法為綜放放頂煤，工作面平均可采厚度為13 m，順槽長2 469 m。在回采過程中需先后經過謝家咀背斜、DF29斷層以及塬口子向斜。其中DF29斷層與工作面回采方向25°～30°斜交，落差18 m，傾向NE150°～155°，走向NE60°～65°，傾角60°～65°，影響工作面退采長度將近350 m。DF29斷層屬目前黃隴礦區較大斷層[3]。401101工作面運輸巷跟回風巷頂部采用錨桿索聯合支護，幫部采用錨桿支護，工作面內圈形成于2017年底，巷道圍巖表面風化嚴重且網片銹蝕嚴重，在推采期間兩順槽維護量比較大，頂板幫部破損處較多，尤其是工作面推采臨近斷層，變化尤其大，給工作面安全生產帶來極大隱患。

2 防治措施

2.1 順槽中空注漿錨索加固

施工方法：401101工作面兩順槽斷面為4 500 mm×3 550 mm，工作面過斷層期間對運順斷層破碎帶60 m范圍、回順斷層破碎帶30 m范圍內采用1860級7 100 mm中空注漿錨索進行補強加固。間排距為1 500 mm×1 400 mm。注漿液采用不低于325的普通硅酸鹽水泥，錨索注漿液水灰比1∶1.5，漿液中摻少量水泥注漿添加劑，采用棉紗與止漿塞封堵，注漿前預緊力達100 kN，注漿壓力達5 MPa。

施工原理：施工過程采用高強中空注漿錨索、高強抗縮性注漿材料、高注漿壓力對大范圍圍巖進行錨注加固，即所謂“三高一大”錨注體系[4]。同時，還具有以下特點：①改善圍巖性質，提高圍巖的承載能力。注漿后的漿液可以將松散圍巖膠結成整體，從而提高圍巖內聚力、彈性模量及內摩擦角，進而有效提高巖體強度，可實現利用圍巖本身作為支護結構的一部分，加強主動支護的強度；②全長錨固。中空注漿錨索注漿后，部分漿液由于高壓隨裂隙滲流到普通錨桿、錨索周邊，使原錨桿、索變成全長錨固，同時，自身也達到全長錨固，使錨索與圍巖形成整體，充分發揮錨索的錨固作用；③高預應力錨索。中空注漿錨索索體采用高強度螺旋肋預應力與鋼絲編絞而成。預應力達到1 860 MPa，具有預應力錨索的特點，施工通過錨索孔全長范圍內的高壓注漿，從而保證錨索在全長范圍內具有較高的預應力，真正實現錨索對破碎巖層的主動支護，巖體壓力荷載便通過錨索被傳遞到深部穩定的巖體，深部穩定的巖體層自穩潛能得到充分發揮，從而可優先控制巷道變形；④強化組合拱。利用中空注漿錨索注漿充填圍巖裂隙，配合錨網索噴聯合支護，可形成一個多層有效組合拱，及噴網組合拱、錨桿壓縮區組合拱及漿液擴散加固拱，從而擴大支護結構的優先承載范圍，提高支護結構的整體性和承載能力[5]；⑤采用注漿錨索注漿，漿液可有效地充填煤巖體間的裂隙以及頂板離層，同時隔絕空氣，防止圍巖內部風化，且能防止圍巖被水浸濕而降低圍巖的本身強度。

2.2 工作面注漿加固

施工方法：采用礦用復合加固材料進行注漿加固。在工作面推進鄰近斷層破碎帶10 m時對機頭、機尾20 m范圍進行超前預注漿加固，如圖1所示。孔距3 m，孔深6 m，鉆孔開孔在前探梁下方500 mm處，傾角15°，單孔注漿量為1.0 t，工作面超前注漿，每3個循環(4.8 m)注漿一次，直至通過斷層破碎帶為止。同時對于裂隙溝通比較好的煤巖體采用間隔跳孔注漿方式，來減少串漿，提高注漿效果[6]；對于大面積范圍采用先外圍、后內部的注漿順序；對于破碎煤柱整體加固采用深淺孔配合注漿方式；對于裂隙比較發育，跑冒漿液比較嚴重的注漿載體，采用先淺部注漿，漿液擴散后在淺部快速形成類似“止漿墻”的具有止漿效果的整體煤體，再深部注漿，保證深部漿液擴散范圍和注漿壓力[7]。

圖1 工作面斷層附近采用注漿加固控制松散圍巖

施工原理：圍巖注漿加固技術是改善圍巖力學特性，提高圍巖穩定性的有效途徑。圍巖注漿加固主要指通過在破碎圍巖(如頂板、煤壁、底板等)中布置鉆孔，利用鉆孔將漿液(如水泥砂漿、高分子膏體材料等)注入煤巖體的節理裂隙等孔隙中，增加破碎巖塊間的粘聚力和摩擦力，以此增加煤巖體的整體性和提高煤巖體強度的技術[8]。圍巖注漿加固技術的機理主要表現為以下3個方面。①網絡骨架作用。漿液在注漿壓力的作用下，滲透到圍巖體的孔隙、裂隙等缺陷中，形成類似于網絡骨架的結構；②充填密實作用。漿液在填充圍巖體孔隙的同時，與圍巖體黏結在一起形成統一的整體，從而提高了整體的密實度；③粘結加強作用。由于圍巖體的破碎度較高、強度低，通過漿液的粘結作用，將破碎的塊體粘結起來，從而大大提高其承載外界荷載的能力，增加其整體強度[9]。

2.3 順槽頂板預裂爆破

施工參數：①施工位置。401101運回順超前支護外至停采線，共計施工約1 300 m；②鉆孔直徑。根據理論分析及礦井爆破經驗，采用炮孔直經為75 mm，炸藥直徑為60 mm，不耦合系數為1.25；③鉆孔深度。根據理論分析和現場施工條件確定超前深孔爆破卸壓鉆孔施工角度為65°(偏向切眼方向)，終孔位于中粒砂巖層上部邊緣，計算得到爆破斷頂鉆孔深度為50 m；④炮孔間距。根據爆破理論，考慮現場實際施工條件，爆破鉆孔排距定為10 m；⑤裝藥量。依據深孔爆破理論確定裝藥量為35 kg；⑥起爆與爆破方式。根據現場實際情況確定采用毫秒雷管分組爆破，單孔起爆。

解危原理：通過采取頂板深孔預裂爆破，促進采空區上方頂板冒落，削弱采空區與回采區之間的頂板連續性，降低四周采空區懸頂導致的工作面應力集中，同時減弱頂板垮斷產生的沖擊動載，降低工作面來壓強度[10-12]。建立集中動載荷型沖擊地壓發生模型，如圖2所示。

圖2 集中動載荷型沖擊地壓發生工程結構模型

沖擊地壓由工作面煤壁側發生，沖擊啟動受煤幫應力集中和采場上覆堅硬頂板垮斷同時影響。工作面煤壁極限平衡區因上覆頂板懸頂造成該區應力高度集中，儲存彈性能量最大，最容易滿足失穩破壞條件，也是對來此外界動載荷響應最靈敏的區域，但是外界動載荷必須以該區域靜載荷集中度為基礎，對其進行擾動或加載才能完成沖擊啟動。沖擊地壓啟動的能量條件為極限平衡區集聚的彈性應變能加上頂板斷裂傳遞來的動載荷能量大于該區煤巖破壞所需要的最小能量。因此通過采取順槽頂板深孔預裂爆破，促進采空區上方頂板冒落，削弱采空區與回采區之間的頂板連續性，降低四周采空區懸頂導致的工作面應力集中，同時減弱頂板垮斷產生的沖擊動載，降低工作面來壓強度。并且通過將頂板強度弱化，降低四周采空區懸頂導致的工作面范圍內的集中靜載荷強度。

3 結語

401101工作面歷時123 d通過DF29斷層，工作面累計發生微震事件14 480次。通過采面注漿，順槽注漿錨索補強加固以及順槽頂板預裂爆破3個方案的共同實施，在回采期間巷道未發生頂板事故。這3個方案有效指導了該礦綜放工作面順利推采，從而實現工作面安全、平穩通過斷層。此次順利通過斷層，不僅為彬長礦區災害治理研究工作提供了有力的技術支撐，同時也為同類型礦井提供借鑒。