晋邦德矿14207工作面过断层围岩控制技术研究

李殿蛟

摘 要：晋邦德矿14207工作面，在掘进过程中探测到前方遭遇正断层，通过对巷道松动圈的监测，得出原支护方案不足以回风大巷安全通过断层，再基于松动圈理论基础上，提出新的支护方案，以期使巷道安全顺利的通过断层破碎带，并且通过Flac 3D对新支护方案进行模拟，验证该方案的可行性，并且对14207工作面实施优化改造，优化后监测结果显示，巷道过断层时，围岩稳定，保证矿井的安全生产。

关键词：数值模拟;过断层;围岩控制;注浆钻孔

1 矿井概况

晋邦德矿井田面积达到9.011km2，产量为1.2Mt/a，开采的深度1120m至740m，井田南北约4km，东西约为3.5km。14207工作面走向长度1203m，倾斜长度280m，采区主采8#煤，煤层厚度为3.8～4.8m，均厚4.5m，煤层直接顶为L1泥灰岩，均厚为2.32m，普式硬度为7.5，基本顶为粉砂岩，均厚2.33m，普式硬度5.3，直接底为粉砂质泥岩，均厚为0.97m，普式硬度4.5，老底为粉砂岩，均厚为3.60m，普式硬度为5.3。当14207工作面掘进进至70m时会遭遇正断层F18506-4，该断层走向350°，倾向80～346°，倾角68°，落差为1.5～3m，对掘进影响程度极大。

2 围岩破坏分析

2.1 围岩松动圈实测

晋邦德矿14207工作面为煤岩巷矩形断面，并且加喷射C25混凝土，厚度为150 mm，铺底厚度为150 mm，强度为C30。原支护方式难以安全通过断层，需对巷道围岩进行分析后提出优化方案。为了探究巷道在遇断层时围岩破坏分析，在巷道断层附近，由远至近间距为3m建立五组测站来进行松动圈监测。通过实测可知，测站距离断层较远，松动圈范围在1.82m左右，随着巷道接近断层松动圈范围逐渐增大，临近断层位置测站Ⅴ松动圈大小为1.97m，相对正常巷道松动圈范围扩大了0.15m，故原有2.2m长的锚杆在断层附近产生脱锚现象原因为锚固长度严重不足。针对原支护方案进行优化设计，采用柔性结构加强支护。

2.2 掘进优化方案

由于原巷道变形严重，晋邦得矿经研究决定采用“水泥和水玻璃”这种双浆液的注浆方法，对断层围岩进行加固。采用预留岩冒注浆，第一阶段原有巷道掘进绕道，绕道与断层走向垂直，第二阶段预留岩冒，第三阶段注浆。

首先进行小断面的开挖支护，为注浆作业创造临时工作面，开口位置断面为高2.3m，宽3.7m，深2m，并进行锚喷网支护。注浆参数主要有以下四点：①双液浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥和模数2.8～3.1、浓度30～ 35°Be’的水玻璃;②初期注浆压力不超过2MPa，3次成孔后最大不超过4.5MPa。注浆开始前应进行压水试验，测试系统的密封性和安全性，压水试验的压力达到2MPa，3次孔后压力达到4.5MPa后，稳定15min无异常时，即可开始正式注浆施工;③孔口管采用2寸半焊管，单根长3m，单侧带高压法兰，一侧带螺纹，法兰侧加焊点，在初期对称布置5个注浆孔，平均高度距底板1.6m，钻孔采用2次成孔方式，开孔直径为93mm，孔深2.5m，终孔直径65mm，终孔深度根据钻孔钻探结果确定断层厚度，水平钻进长度超过断层最远位置3m，所有钻孔与巷道断面外扬成36°角。

结合断层处围岩破坏机理，利用松动圈支护理论针对14207工作面软岩巷道提出了新的支护方案，以期使巷道安全顺利的通过断层破碎带。具体方案为：在巷道穿越断层破碎位置前后7～8m内采用“直墙半圆拱截面、‘锚索+锚杆+金属网+喷砼+可缩性U型钢支架+复喷砼’”的联合支护技术。其断面支护形式简图如图1所示。

2.3 数值模拟分析

为探究优化方案的有效性，对优化方案进行数值模拟。14207工作面位于地下460m 深处，为直墙半圆拱断面，巷道开挖尺寸为5.7m×4.4m（宽 ×高），净断面尺寸为5.4m×4.1m（宽×高），半圆拱半径为2.7m，直墙高1.4m。模拟结果如图2所示：

由图2可知，围岩主要发生剪切屈服和拉伸屈服，断层核心位置塑性区明显大于正常巷道的塑性区，究其根本是由于断层破碎带内围岩岩性较差。在断层前5m处巷道位于断层上盘中，塑性区在巷道底板范围较大达到围岩2.2m深处，巷道顶板相對较小在1.7m左右，两帮平均塑性区厚度在1.9～2.1m;断层核心破碎区位置塑性区相对较大，两帮拱角处及底角处塑性区厚度达到了2.5～3.5m，两帮塑性区厚度也在3m左右;巷道远离离断层5m后，位于断层下盘中，顶板塑性区相对断层前5m处有一定发育，拱角处略微增大至1.85m，而底板处塑性区相对断层前5m处略微减小，厚度在2m左右，可保证巷道围岩的稳定性。

2.4 监测效果分析

为了探究实际应用效果，对巷道顶板离层量进行监测。测站的布置应考同时虑实际生产情况和现场施工环境进行布置，尽可能布置在巷道原岩应力较大或出现应力集中的断面。故测站布置在绕道后过断层位置，在穿过断层前6m、穿过断层后6m各建立一测站，进行为期60天的来保证巷道安全施工的进行并实时监测。

测站一的顶板离层变化较快，10d内顶板浅部离层迅速增长至10mm，深部离层逐渐增长至3mm，10d后顶板离层量逐渐增大，30d后浅部离层增大至14mm，浅部围岩已稳定，而深部离层增大至6mm，35d后继续增大至7mm，之后深部离层量也进入稳定状态。

测站二的顶板离层较大，开挖后浅部围岩首先出现离层情况，2d后深部围岩才亦出现离层，前10d离层变化较为明显，离层量增长速率较大，10d后离层量继续增长，但增长速率较小，30d后浅部离层几乎达到稳定;40d后深部离层也达到稳定状态。

由此可知：顶板离层主要发生在前10d内，之后顶板离层增量较小;围岩深部离层量（2.6～7.3m）要小于浅部离层量（0～2.6m），但其稳定周期要比浅部离层延长5～10d;断层位置深部和浅部离层量都明显大于断层前后巷道顶板的离层量且稳定周期相对较长，断层上盘离层量略大断层下盘离层量，巷道围岩稳定。

3 结语

晋邦德矿通过对巷道松动圈的监测，得出原支护方案不足以回风大巷安全通过断层，再基于松动圈理论基础上，提出新的支护方案，以期使巷道安全顺利的通过断层破碎带，并且通过Flac3D对新支护方案进行模拟，模拟结果显示新支护方案的可行性，并且对14207工作面实施优化改造，监测结果显示，巷道通过断层时围岩稳定，保证矿井的安全生产。

参考文献：

[1]李启发.大采高工作面过断层数值模拟与围岩控制技术[J].西部探矿工程，2019，031（010）：181-183，196.