掘进巷道断层构造治理技术研究与应用实践

陈黎明

（山东能源集团云鼎科技股份有限公司，山东 济南 250000）

1 概况

南屯煤矿7329 工作面地质条件复杂，断层构造发育，根据邻近已回采工作面实际揭露，工作面回采区域预计揭露4 条断层，分别 是Fv-7（110 ° ∠70 °H=5.1 m）正 断 层、3TF-1（189 ° ∠65 °H=2.0 m）正 断 层、3TF-2（280 ° ∠30 °H=2.50 m）正 断 层 及3TF-2（290°∠70°H=4.0 m）正断层。其中三条断层预计在胶带顺槽揭露，一条断层预计在轨道顺槽揭露。

2 断层构造影响分析

受断层构造影响区域，煤层及上覆岩层完整性遭到破坏。在断层构造影响区域进入采掘扰动范围后，受采掘扰动影响，煤层直接顶及以上岩层进一步破坏，增大施工期间顶板及煤壁管理难度。掘进工作面首次揭露断层构造时，煤体的切割扰动使得构造应力得以释放，导致掘进迎头煤体片帮、顶板漏冒，难以进行支护，增大施工过程中的安全风险[1]。回采工作揭露断层时，断层构造使得煤层顶板在液压支架顶梁前端即开始下沉、垮落，导致液压支架顶梁不能对岩层进行有效支撑，煤层顶板在失去有效支撑后，破碎冒落会进一步加剧，从而形成顶板破碎、支护失效、顶板破碎加剧的恶性循环。断层构造的存在，还会影响巷道应力分布，使得采煤工作面的超前支承压力影响范围和压力峰值区发生变化[2]，给采煤工作面两巷超前支护工作带来一定困难。采动影响下断层对工作面支承压力的数值模拟结果表明，当工作面从断层下盘向断层面推进时，会在工作面和断层间的煤柱造成加压效应，产生较高的应力集中[3]区。应力集中在煤岩体中，使得煤岩体产生应变的同时积聚大量的弹性能，弹性能集聚达到煤岩体的承载极限后缓慢释放会导致井巷发生形变，表现为巷道顶底板及两帮的移近，变形量过大，会导致巷道的部分功能丧失[4]，带来大量的巷道扩修工程量。

图1 断层构造影响区域应力及应变情况

3 针对性治理措施

断层构造对掘进工作面的影响，一方面是由于构造应力的释放，掘进期间矿压显现明显，掘进施工困难。另一方面是由于断层构造导致煤体及顶板的完整性遭到破坏，无法进行有效支护。基于以上分析，对断层构造的治理目的，一是要解决断层构造影响区域的煤岩完整性问题，二是要确保断层构造影响区域的支护体系在构造应力释放时，能对应力释放区域进行可靠有效支护。注浆加固措施是通过对断层构造影响区域进行注浆，浆液通过构造裂隙扩散，充满构造裂隙，待浆液凝固后，将破碎煤岩体固化成整体，增大煤岩体的完整性和连续性，从而确保支护体系的可靠性。

3.1 注浆加固

3.1.1 注浆施工参数

巷道掘进期间，根据地质探测结果，结合掘进施工实际揭露情况，当进入断层构造影响区域后，开始对断层构造影响区域巷道顶板和两帮进行注浆加固。注浆顺序为先帮部后顶板，帮部注浆为先下部后上部，顶板注浆由两侧向中间进行施工。

注浆孔径32 mm，间排距为2000 mm×2000 mm，顶板注浆孔深为4.0 mm，帮部孔深6.0 m。其中帮部孔一组布置2 个，上部距顶板0.8 m，以20°倾角斜向上，下部孔与上部孔间距2.0 m，水平布置，垂直于煤壁施工。顶板注浆孔一组布置3个，巷道中心线布置1 个，两侧对称间距2.0 mm 各布置1 个，两侧注浆孔以30°倾角斜向上，孔深4.0 m。注浆管由2 根6 分铁管组成，每根铁管长度3.5 m，注浆孔安设带有球形截止阀的注浆管，注浆管末端设花管，注浆管全长装入注浆孔内，只外露球形截止阀及以外部分，孔口设置防脱装置并缠绕麻丝固定于钻孔内。如图2。

图2 注浆套管剖面图（mm）

3.1.2 注浆材料

注浆材料需要有较好的粘结性能和较高的强度，能够在增大破碎煤岩体的完整性和连续性的同时，提高煤岩体的强度。注浆材料通过裂隙扩散后，能与原有支护体系融合，实现原有支护体系的全长锚固。基于以上要求，最终选择MZM-70 型高强无机锚固料，该锚固材料具有浆液稠度高、硬化不收缩、微膨胀、静止触变性好、初凝时间短、注浆时间可控的特点，浆液受扰动即会液化流动，停泵即可停浆，锚固料不会从破碎岩体内流出，有利于破碎岩体充填密实，保障支护及时有效。经过实验验证，注浆施工1 d 后抗压强度可超过25 MPa，一个月后抗压强度可超过70 MPa。浆液配比表见表1。

表1 浆液配比表

3.1.3 注浆施工工艺及方法

注浆工艺：浆液搅拌站→吸浆管路→注浆泵→注浆管路→注浆阀→预设管→围岩裂隙。

注浆方法：首先通过高压风对注浆管路进行吹风，清洗管内煤粉及其他杂物，保证注浆管路畅通。为保证注浆效果，需选择合理注浆泵出口压力，压力过大，对注浆系统管路抗压能力要求高，注浆过程中容易出现漏浆、跑浆，注浆压力小，注浆速度慢，影响施工进度。综合考虑，最终确定注浆泵出口压力为7 MPa。浆液准备：首先在搅拌桶内加入一定量清水，然后按配比缓慢加入锚固料，边加锚固料边不断搅拌，促使锚固料与清水充分接触，待锚固料加完成后仍需不断搅拌10 min 以上，促进锚固料充分溶解。锚固料充分溶解后采用注浆设备进行注浆施工。当浆液从围岩钻孔或裂隙中流出，说明注浆完成，即可停止注浆，进入下一注浆孔施工工序。

3.2 加强断层构造区域的支护

73下29 巷道采用锚网+钢带+锚索的主动支护形式，断层构造区域将断层构造对支护体系的影响，纳入支护体系计算考量参数。通过计算，确定支护锚杆及锚索的合理长度及支护间排距，以确保支护体系强度满足巷道使用需求。

1）锚杆（索）参数计算

① 冒落拱高度计算

式中：H为冒落拱高度；B为巷道宽度，取3.5 m；f为顶板岩层硬度，断层影响构造区域取1.5。

经计算断层构造影响区域冒落拱高度为1.2 m。

② 顶板锚杆长度

式中：H为冒落拱高度，断层构造影响区域取1.2 m；K为安全系数，取1.5 m；L1为锚杆锚入稳定岩层的深度，取0.5 m；L2为外漏长度，取0.1 m。

经过计算，最终确定断层构造支护锚杆长度为2.5 m。

2）顶部锚索

式中：L索为顶板锚索长度；L1为锚索深入稳定岩层锚固长度，取2 m；L2为需要吊挂不稳定岩层厚度，取4.5 m；L3为锚索外露长度，取0.2 m。

经过计算，最终确定断层构造影响区域顶板支护锚索长度7.2 m。

3）锚杆间排距计算

式中：Q为锚杆设计锚固力，取70 kN；K为安全系数，取2；H为冒落拱高度，取1.2；r为悬吊岩石及煤的厚度比例加权比重，取26。

经过计算最终确定断层构造影响区域顶部锚杆间排距由1000 mm×1000 mm 缩小至900 mm×900 mm，巷道帮部锚杆间排距1000 mm×900 mm。采用屈服强度500 MPa 的左旋无纵筋高强度螺纹钢树脂锚杆，规格为Φ22 mm×2400 mm，设计锚固力190 kN,预紧力矩300 N·m。帮部采用屈服强度500 MPa 的左旋无纵筋高强度螺纹钢树脂锚杆，规格为Φ20 mm×2400 mm,设计锚固力160 kN，预紧力矩300 N·m；顶部锚杆配合钢带支护，使用Q235A钢板加工的长×宽×厚为150 mm×150 mm×10 mm 蝶形托盘，中间钻Φ26 mm 的孔；帮部使用Q235A 钢板加工的长×宽×厚为150 mm×150 mm×10 mm 的蝶形托盘，中间钻Φ26 mm 孔。顶板锚索采用SKP22/1×19S/1860 矿用锚索及配套锁具，锚索长度7200 mm，设计锚固力230 kN,预紧力200 kN。锚索间距1600 mm，排距1600 mm，锚索布置在相邻四根锚杆之间，锚索配套使用Q345钢板加工的长×宽×厚为300 mm×300 mm×16 mm 蝶形托盘，中间钻Φ26 mm 孔。断层区域支护设计如图3。

图3 断层区域支护设计图（mm）

4 结论

经注浆加固，解决构造影响区域煤体完整性差问题，经过充分分析断层构造影响，确定断层构造影响区域煤层及顶板破碎松动范围，确定锚杆（索）长度等关键参数，最终解决断层构造影响区域支护困难、支护效果差的问题。为验证治理效果，在断层构造影响区域设置了两组矿压观测点，巷道掘进施工完毕后，断层构造影响区域顶板最大下沉量为100 mm，两帮最大移近量为230 mm，均在可控范围内，说明该区域顶板及煤体经注浆加固及强化支护后，完整性得到保证，能对上覆岩层进行有效支撑，工作面回采期间，通过该区域未发生顶板冒落事故，煤体片帮也得到缓解，取得预期效果。