双巷掘进工作面过断层注浆技术应用研究

耿 峰

（阳泉煤业集团兴峪煤业有限责任公司，山西 盂县 045100）

1 工程概况

阳煤集团的兴峪煤矿属于高瓦斯矿井，开采的15#煤层为简单结构煤层，倾角0～15°，平均5°，煤层厚6.55～7.0m，平均厚6.94m，一般含矸2层，煤层中下部夹矸厚度为0.1m，下部夹矸厚度0.05m。其15#煤层的15501综放工作面目前处于准备阶段，工作面地表位于毕沟村西南一带，盖山厚度227～424m；井下位于五采区南部，东部为扩区准备大巷，南部、北部为实体煤田，西部与矿界相距20m。

在15501回风顺槽和15503运输顺槽掘进过程中，由于断层影响，遇到巷道顶板煤体破碎，支护困难等一系列问题，威胁掘进工作面施工人员的安全，用原有的支护手段工作效率较低，影响巷道施工的正常工期，阻碍了煤矿生产。

2 断层区域巷道围岩破碎情况分析

（1）现场破坏情况

如图1所示，当巷道掘进至距离15501回风顺槽开口处550m的C6点时，巷道顶板发现严重的冒顶现象，最大冒落高度达到6m。巷道中间的保护煤柱也出现片帮，煤壁的中上部有略微的片帮，煤体破坏深度较浅，深部煤体完整。巷道两帮移进量过大，变形量最大为1.1m，局部出现底鼓现象，鼓起高度平均为25cm，最大可达50cm。由于巷道顶板煤体过于破碎，最初的锚杆基本已经全部失效，两帮的锚杆仍然有效。相邻的15503运输顺槽顶板也出现小范围内的顶板煤体破碎冒落的情况，实体煤壁与煤柱出现煤体向巷道内鼓起的现象。底板未出现大的形变。顶板部分锚杆出现滑落，有兜网现象，但未发现锚索失效，巷帮部分锚杆失效。

（2）围岩破坏数值模拟分析

根据掘进工作面的地质状况，应用离散元数值模拟软件UDEC进行模拟分析，模型高度为100m，长度为300m，模型左右两侧为固定边界，底部在垂直方向上固定，上部为自由边界[1]。

图1 运输顺槽掘进工作面破坏情况图

巷道掘进过程中，由于断层与巷道相对位置的不同，巷道可能是由断层的下盘逐渐靠近断裂面，也可能是由上盘逐渐靠近断层面，不同的位置关系对于巷道掘进有着不同的影响。无论巷道要穿过哪种结构的断层，巷道的采掘总是要破坏煤岩体原有的平衡状态。巷道由断层的下盘进入上盘时，顶板岩层会随着工作面的推进不断地向工作面后方翻转、下沉，断层下盘下煤柱越来越窄，导致煤体对于岩层的支承能力减弱，巷道顶板破碎，很难取得平衡，导致冒顶等事故。巷道掘进从断层的上盘进入下盘，随着掘进工作面推进，断层面的正应力增大，导致断层上下盘的相对位移，巷道发生过度的变形。总之在巷道掘进通过断层区域时，当巷道围岩内的应力分布导致一些煤岩体内部的应力大于岩体强度时，就会在巷道围岩内形成塑性区，塑性区过大就会导致巷道失稳，围岩破坏。因此数值模拟的重要作用就是观察巷道掘进过程中，围岩内裂隙发育的情况，对研究巷道变形的特征以及巷道的稳定性控制具有重要意义。通过数值模拟结果，在断层附近15501回风顺槽及15503运输顺槽的围岩内塑性区的分布如图2所示。

图2 巷道围岩塑性区分布模拟结果示意图

由数值模拟结果可以得出，在巷道掘进过程中两个巷道围岩内均出现较大的塑性区。15503运输顺槽内围岩的破碎更为严重，巷道的顶板塑性区扩展最大，两个巷道在煤柱侧的塑性区均大于实体煤壁侧，但是并未贯通，区段保护煤柱仍然是稳定的，具有承载能力。底板塑性区范围较小，两个巷道破坏情况基本相同，顶板较完整。

根据以往巷道采掘的经验及数值模拟结果可知，在构造应力的作用下形成断层的过程中形成断层破碎带，巷道掘进时对围岩进行的二次扰动，使断层失稳、围岩进一步破碎，对巷道的支护产生重大难题。经过以上分析可知，掘进工作面围岩破碎主要为顶部围岩的破碎，断层区域可通过注浆加固提高巷道围岩的整体性，保证掘进工艺的顺利进展[2]。

3 掘进注浆工艺

为了解决上述问题，设计在掘进面超前注浆加固巷道顶板及两帮，多循环小进尺，在形成锚杆支护的作业空间后，再进行常规的锚杆永久支护[3]。

图3 超前注浆钻孔布置示意图

为了防止注浆过程中浆液的流失，注浆前在掘进工作面迎头处及掘进工作面周围进行喷浆处理，喷砼厚度100mm。在进行喷浆前应当完成超前注浆孔的布设，其在巷道掘进面的布置示意图如图3所示。注浆固结采用水泥水玻璃双液浆，水灰比在实验室进行注浆试验确定为0.6:1，S:C为0.01:1，注浆管为铁管，总长度5.5m，直径为45.0mm，其形式如图4所示。每个断面内一共设置18个注浆孔，在巷道顶部位置布置两排注浆孔，向上倾斜20°从而达到对顶板破碎煤体加固的目的。在巷道中部布置两排水平正向的钻孔，对前方煤体进行注浆，在两侧分别布置两排间距为150mm的注浆孔，向两侧分别倾斜15°、20°从而达到对两帮加固的目的。注浆所选的浆液为水泥水玻璃双浆液，水灰比为0.6:1，S:C为0.01:1，材料选用425#普通硅酸盐水泥，40波美度的水玻璃。由于煤岩体较为破碎，根据相关的经验将注浆压力定为3.0MPa，注浆泵选用2ZBQ50/19型矿用气动注浆泵。每次注浆的超前范围为5m，为了防止迎头处冒顶、煤壁片帮等的发生，每次掘进工作面可根据实际情况推进4.0～4.5m，进行锚杆永久支护后，进入到下个阶段的施工。

图4 注浆管结构示意图（单位：mm）

4 矿压观测结果及分析

为了考察巷道支护效果，在15503运输顺槽内设计布置了巷道位移监测点，所得数据整理结果如图5所示。巷道的变形量随着成巷时间的增加逐渐增大，在巷道形成的20d内，顶板及两帮变形量快速增加，成巷20d以后巷道顶板及两帮的位移量稳定在200mm以下，基本不再变形，巷道掘进过程中也未出现迎头处冒顶、煤壁片帮等问题。

图5 巷道位移监测曲线

以上结果表明，掘进过断层采用的“超前注浆加固+锚杆支护+小进尺多循环掘进”能够安全快速顺利通过断层地段，巷道锚杆支护体系有效地维持了巷道的稳定性，确保了工作面准备的正常进行。