煤礦井下過斷層支護技術的優化研究

馬 磊

（潞安化工集團司馬煤業有限公司，山西 長治 047199）

司馬礦在巷道掘進的過程中經常會遇到斷層破碎帶，在過斷層施工的過程中極易出現透水、巷道垮塌等事故[1]，傳統支護方案難以保證巷道的穩定性，給煤礦井下掘進作業安全帶來了極大的挑戰。針對過斷層帶的特殊地質條件，提出了一種新的煤礦井下過斷層支護技術，首先利用TSP 物探技術探測速度快、可靠性高的優勢對斷層區域的地質情況進行分析，解決了傳統鉆進探測方案效率低的不足，然后根據探測結果提出了超前預注漿支護+錨網索聯合支護的方案，提升了巷道過斷層區域的穩定性。

1 TSP 物探方案

司馬礦目前的掘進作業巷道位于地下696 m 處，煤層的平均厚度為6.28 m，不含夾矸層。在巷道前方出現斷層帶，富水量較大，單位時間內的平均涌出量約為0.428 L/s.m，富水區域的平均滲透系數為1.032 m/d，在巷道掘進過程中易出現涌水。

井下巷道掘進10 m 時開始進行TSP 物探，共進行20 次炮震，每個炮震點的距離為1500 mm，設備采樣率為50 Hz，數據記錄的長度為440 ms，利用探測器對炮震后的反射波進行收集和分析，第一次物探結果如圖1。

圖1 TSP 物探結果示意圖

由物探結果可知，在探測區域前方13 m 的范圍內，巖層穩定性高，密度均勻；在探測區域前方13～44 m 的范圍內，巖層破碎度較高，反射面比較密集，表明整個區域的巖層穩定性差，裂隙內含水量多，出現涌水的概率較大，因此是加強防水和支護的重點區域；在探測區域前方44～120 m的范圍內，反射均勻，可以判斷其圍巖強度高，完整性比較好，穩定性強。

TSP 物探的方案[2-3]能夠實現對巷道圍巖周圍情況的快速判斷，為巷道掘進和支護提供理論基礎。根據實際驗證，該物探方案的效率比傳統鉆進取樣分析提升了4.4 倍，其準確性達到了93.6%。

2 支護方案優化

通過TSP 物探分析，在過斷層帶圍巖破碎區域需要進行專門的防水和加強支護，根據井下實際情況，綜合分析后決定采用超前預注漿支護+錨網索聯合支護的方案[4]。為了對該方案的應用可行性進行分析，采用FLAC 仿真分析的方案對其支護效果進行分析。

建立模型尺寸選擇80 m×80 m×60 m，按自由網格劃分的方案對其進行網格劃分，網格數量總共為37 285 個。根據地質監測，在掘進擾動和礦壓波動下的最大波動應力為11.85 MPa。仿真分析結果如圖2。

圖2 仿真分析結果示意圖

由仿真分析結果可知，在過斷層帶區域采用新的超前預注漿支護+錨網索聯合支護的方案，能夠保持巷道在掘進作業過程中的穩定性。巷道最大底鼓量約為180 mm，頂板最大下沉量約為124 mm，頂底板最大移近量為304 mm；巷道右幫的變形量約為116 mm，巷道左幫的最大變形量約為94 mm，巷道兩幫的最大移近量約為210 m，遠低于采用傳統支護方案時巷道頂底板1190 mm 及巷道兩幫640 mm 的變形量。因此，該支護方案從理論分析上滿足陷落柱區域的支護要求。

3 超前預注漿加固

井下過斷層帶區域，由于圍巖破碎度高，穩定性差，容易出現滲水現象，影響井下的施工安全和效率，需進行注漿加固[5]。通過注漿料的填充，一方面阻斷滲水的通道，一方面又能夠提高圍巖的完整性和結構強度，從而有效抵御在掘進作業期間巷道的變形。在注漿過程中，注漿料的選擇尤為重要，一方面要保證在有水環境下的快速凝結，另一方面又要保證注漿料的高滲透性和膠結強度。本文選擇的是一種新型的以無機礦粉為主要成分的凝結料，其水灰比為0.8:1，擴散半徑為2.6 m。經驗證，該材料在2 h 后的凝結強度為12.8 MPa，在24 h 后的凝結強度為14.6 MPa，在72 h 后的凝結強度可以達到15.7 MPa，具有顯著的凝結速度快、流動性高、膠結強度高的優點。

巷道斷面尺寸為3.5 m×5 m，根據井下斷層破碎帶長度，將注漿孔的深度設定為16 m，注漿孔需要沿著矩形巷道的斷面向著輪廓外側延伸400 m 布置。在斷面處設置了7 個注漿孔，頂板上注漿孔之間的距離設為2.7 m，在巷道兩幫上的注漿孔距離設為2.4 m，井下巷道內注漿孔設置結構如圖3。

圖3 巷道內注漿孔布置結構示意圖（mm）

4 錨網索聯合支護

注漿加固方案只能部分提高巷道破碎圍巖的穩定性，無法保證在整個掘進作業期間的巷道穩定性，因此在注漿加固的基礎上，提出采用錨網索聯合加強支護的方案。

在巷道頂板處布置了六組高強度錨桿，每個錨桿的直徑22 mm，最大屈服強度超過550 MPa，錨桿間距設為900 mm，錨桿排距設為1000 mm，兩側的錨桿采用向內14°布置的結構，錨桿鎖緊時的預緊力不小于350 N·m。錨索采用了1×19 股的高強度低松弛鋼絞線，錨索直徑為22 mm，錨索布置間距和排距均為2000 mm，每排設置2 組錨索，預緊力不低于350 kN。

巷道兩幫各設置三組錨桿，錨桿規格和頂板錨桿統一，錨桿間距和排距均設置為1000 mm，外側的錨桿統一往內傾斜14°布置，預緊力矩均不小于350 N·m。錨索間距設置為1600 mm，排距設置為200 mm，在每排設置2 組錨索，預緊力不低于350 kN。錨網索聯合支護結構如圖4。

圖4 井下巷道支護斷面圖（mm）

5 支護效果分析

為了對支護實際效果進行分析，分別設置了2個監測點，對掘進作業過程中過斷層帶區域的巷道圍巖變化情況進行研究，實際監測結果如圖5。

圖5 井下巷道變形量匯總

由圖5（a）可知，巷道兩幫的變形量在第28天時基本趨于穩定，平均最大變形量約為196 mm，比傳統支護方案時640 mm 的變形量降低了69.4%，表明該支護方案能夠有效地降低井下巷道兩幫的變形量，提高巷道在掘進作業過程中的穩定性。

由圖5（b）可知，巷道頂板變形量在第25 天時基本趨于穩定，平均最大變形量約為277 mm，比傳統支護方案時1190 mm 的變形量降低了76.7%，有效提升了巷道頂板在掘進作業過程中的穩定性。

實際支護情況下的兩幫變形量與仿真分析時210 mm 的理論分析結果偏差僅為6.7%，頂板的實際變形量與仿真分析結果的偏差為8.9%，表明該仿真分析結果的可靠性，能夠有效地指導井下巷道支護方案的制定，進一步為提高支護巷道的可靠性奠定了基礎。

6 結論

針對斷層帶地質條件復雜、易透水、易垮落的缺陷，利用TSP 物探技術對井下斷層帶地質情況快速勘探，利用超前預注漿支護+錨網索聯合支護的方案對過斷層巷道進行加強支護，提升了巷道圍巖的穩定性，根據實際應用表明：

（1）TSP 物探方案的勘探效率比傳統鉆進取樣分析提升了4.4 倍，其準確性達到了93.6%。

（2）新的支護技術將兩幫的變形量降低了69.4%，頂板變形量降低了76.7%，顯著提升了過斷層巷道施工可靠性和安全性。

（3）利用FLAC 仿真分析的方案，巷道變形的仿真分析結果和實際偏差量約為6.7%，頂板變形量和實際監測結果偏差約為8.9%。