新大地煤业15303回风巷过断层围岩控制研究

刘小军

（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）

断层作为一种不良隐蔽的地质体，严重影响煤矿工作面或者掘进工作面的生产安全。由于断层的影响，会致使断层周围煤岩体破碎，强度降低，导致煤体整体的承载稳定性严重下降[1-2]。在工作面正常回采或者掘进工作面掘进时，由于二次扰动进一步加剧煤体的变形，进而导致工作面煤壁发生严重片帮或者掘进巷大变形、冒顶等事故[3-5]。因此，在井下采掘工作展开前，需要根据地质探测的结果，预先制定好过断层的措施，从煤体注浆加固和巷道围岩参数补强两方面展开具体的实施方案分析，从而保证采掘工作面的安全生产。

1 工程概况

阳煤集团和顺新大地煤业15303综采工作面标高为979～1036 m，在1060水平开采15#煤，平均煤厚为5.52 m。15303工作面走向长1209 m，煤层倾角为1°～8°，为近水平煤层。煤层的直接顶为8.18 m厚的黑色泥岩，基本顶为7.82 m厚的细砂岩，直接底为3.9 m的砂质泥岩，基本底为2.8 m的泥岩。

根据15303工作面掘进探测说明可知，在15303工作面回风顺槽向前掘进过程中会揭露DF-4正断层，断层产状为318°∠72°，断层落差为0～4 m。断层在15303回风巷，断层影响范围基本贯穿15303低位抽采巷与回风巷。根据断层的赋存特征，为了防止揭露断层对巷道掘进工作面的影响，需要加固断层影响范围内的松散破碎煤体，并加强15303回风巷道的支护参数，工作面巷道布置及断层分布如图1。

图1 15303工作面巷道布置及断层分布示意图

2 巷道围岩加固方案分析

断层会使煤体赋存状态变差，完整性降低，加上在巷道开挖后，煤体受力状态由三维转化为侧向压力降低的二维受力状态，会引起巷道的大变形甚至冒顶。

控制断层影响范围内的巷道围岩需要首先从加强影响范围内巷道的支护参数入手，然后采用注浆加固的方法从根本上解决煤体松软破碎的问题。两方面结合的综合加固方案，维护巷道的稳定，保证掘进工作面安全。

2.1 断层影响范围巷道支护参数设计

15303进风巷为矩形断面，净宽度5.0 m，高度4.0 m，断面面积20 m2。按照矿方要求，遇到构造需要及时停止掘进，根据实际情况提供三视图后设计相应的支护方案，需要坚持“掘一支一”的原则，锚索必须打到坚硬岩层内部。因此15303巷道锚索长度需要大于直接顶厚度，锚固至7.82 m厚的细砂岩中。根据以往支护经验和遇构造的支护要求，设计断层影响范围内的支护参数如图2。

如图2所示，巷道依然主要采用锚索和锚杆组合支护的方案，在顶板和两帮适当加密锚杆索。巷道顶板共设计5根高强度螺纹钢锚杆，锚杆规格Ф22 mm×2400 mm。两侧锚杆距帮部约500 mm，倾斜角度为75°，中间三根锚杆垂直于顶板，锚杆的间距为800 mm。锚索距离帮部1500 mm，垂直于顶板，选用规格为Ф22 mm×15 000 mm的高强度钢绞线锚索，锚索间距为2000 mm，并采用矿用工字钢补强。巷道两帮各设计3根锚杆，对称设计。以工作面帮部为例，上排锚杆仰角设计为15°，距离顶板垂直距离为500 mm；中间和下排锚杆垂直于煤体，间距为1500 mm，选用规格与顶板锚杆相同。

由图2（b）可知，沿着巷道长轴方向，锚杆与锚索间隔布置。其中，锚杆的排距为1500 mm，锚索间距为3000 mm，并且在顶板设计钢筋梯子梁和8号金属网。

图2 巷道支护参数示意图

2.2 过断层注浆加固方案分析

为了保证巷道稳定，在巷道揭露断层前10 m范围开始注浆，断层揭露完毕后继续加固10 m结束，注浆加固范围共计120 m。注浆钻孔布置如图3。

由图3可知，根据巷道的高度，结合断层落差约为0～4 m的特征，将注浆钻孔整体设计为五花眼布置，可以使注浆有一定的高度差，进而加固到断层影响范围。设计上排注浆孔距离顶板500 mm，由于布置方式钻孔较密集，同一排的注浆孔间距为5 m，上下钻孔间距为2 m，中间注浆孔与下排注浆孔间距为1.0 m。按照上述注浆孔设计方案，共计施工钻孔74个。注浆孔的孔径均为76 mm，孔深设计为25 m。

图3 过断层注浆钻孔布置示意图

注浆工艺主要是先封孔后注浆。注浆材料选择矿用单液注浆材料，封孔长度为5 m，封孔处两端用棉花堵住，随后选择水灰比为0.6:1的注浆材料，该材料无机无污染，失流时间约为10 min，可以快速封堵孔口处的裂隙，防止后续注浆时从明显的裂隙处发生漏浆等现象。注浆段的材料水灰比选用1:1，该水灰比的材料在干料和水混合后15 min内凝固，2 h强度3.6 MPa，最终强度可达15.8 MPa。注浆段的注浆压力设计为6～8 MPa，注浆过程中，如果发现有明显的漏浆情况，可以适当降低注浆压力，或者暂停注浆一段时间，随后继续注浆。单孔的注浆量没有明确的要求，原则上为注满为止。注浆系统主要由气动泵、搅拌桶和相应的注浆管路组成，设备选择主要是一个矿用气动泵，相应的配备两个200 L的矿用气动搅拌桶。两个搅拌桶可以满足交替持续注浆，并且系统设备较小，便于在井下巷道中搬运。

3 巷道围岩变形监测分析

巷道掘进过程中，根据矿方初期设计要求，需要在巷道内设计观测站，观测站间距为300 m/个。其中2号观测站对接切眼600 m处，恰好在断层影响范围内，因此选取2号观测站收集的巷道变形数据，绘制巷道变形特征曲线，通过巷道变形量大小和变形速率来分析巷道围岩加固方案的合理性。巷道变形数据每3 d观测一次，巷道位移曲线如图4。

由图4可知，巷道顶板和两帮变形特征基本一致，均表现为初期巷道变形速率较大，随后逐渐减小并趋于稳定。特别是在巷道设置观测点后的前20 d内，巷道支护和注浆加固都没有完成，巷道变形较大，变形速率快，当支护完成并且展开巷道围岩注浆加固后，巷道的变形速率明显减小，并逐渐趋于稳定。最后巷道顶板下沉量稳定在84.5 mm，两帮移近量约为57.8 mm。综上可知，15303回风巷掘进工作面揭露断层后所设计的巷道支护补强参数和破碎煤岩体注浆加固起到了较好效果。

图4 巷道变形特征曲线

4 结论

（1）针对15303回风巷掘进工作面过断层，设计了巷道围岩加固方案。通过采用先补打锚杆索控制围岩变形，再通过注浆加固从根本上解决断层影响下煤岩体破碎稳定性差的联合方案。

（2）根据2号观测站的巷道变形数据分析可知，巷道加固方案实施前巷道变形量大，变形速率快。方案实施后，巷道变形速率明显减小，其中顶板下沉量稳定在84.5 mm，两帮变形量为57.8 mm。