石炭井焦煤公司2874工作面机巷过断层期间加固方案研究

杨廷民

摘 要：石炭井焦煤公司在2874工作面机巷掘进时揭露DF5断层，该断层从上组煤一直发育到下组煤，断层落差18m，受DF5正断层及其派生构造影响，2874工作面机巷围岩极为破碎，围岩整体的抗拉、抗压强度极弱，而且由于受到DF5断层形成的构造高构造应力影响，巷道内围岩变形强烈，巷道底鼓两帮内缩变形严重，经常发生顶部锚索被剪应力剪短，如不采取新的有效支护技术措施，围岩塑性破裂区还会在构造应力的严重影响下，继续剪切扩容，严重影响工作面掘进及安全生产。

关键词：DF5断层；巷道严重变形；围岩注浆加固技术

1 概况

2874综采工作面位于石炭井焦煤公司三水平二阶段北翼采区内，工作面开采8层煤，为简单结构的中厚煤层，不含夹矸，掘进范围内煤层沉积稳定，煤层属光亮型，条痕为黑色，是炼焦煤，根据Ⅵ勘探线205、206钻孔和XV勘探线215钻孔资料，煤层硫分为1.17-2.2%，平均产状为：走向157°；倾向247°；倾角26°。八层煤直接顶板为石灰岩，灰黑色，块状，含黄铁矿薄膜，致密、坚硬，裂隙由方解石充填；直接底板为细砂岩，灰黑色，水平层理，含云母碎屑和少量植物化石。该工作面在掘进过程中，揭露多条断层，特别是DF5断层对该工作面影响很大，落差18m，该断层从上组煤发育到下组煤，是对北翼采区回采影响最大的断层。

2 掘进期间巷道围岩变化情况

2874综采机巷在掘进期间首先在DF5正断层下盘掘进，从开口位置开始，围岩应力变现显著，顶板下沉达1.1m，两帮内移量接近2.3m，整体巷道收敛量增大。造成掘进施工进入“前掘后架”非良性循环状态，不仅严重影响掘进施工，还增加了掘巷成本，使掘进生产陷入非常被动局面。其状况有以下几点：现场勘察表明，10天内顶板下沉30mm，两帮内挤更趋严重，在施工第10天位移量达300mm。针对此情况矿也相应更改措施，采取滞后架工字钢接顶，虽有缓解，但不能有效解决问题。如左帮棚腿处内移显现，导致棚腿弯曲变形，并伴有剪胀滑移内凸现象。 巷道顶部的下沉严重，巷道顶板由原来的圆弧状变为了平顶状，巷内底鼓强烈，巷底在施工机具漏水浸泡侵蚀作用下，导致煤岩崩解、溃散造成严重膨胀变形，底板塑性区扩容膨涨，底鼓明显。巷道随着掘进进尺的延伸，如不采取有效支护技术措施，围岩塑性破裂区还会在构造应力的严重影响下，继续剪切扩容，松动圈将进一步扩大。矿针对2874综采机巷掘进出现的情况，也及时更改措施，尽管在支护方式上先后采用了“斜矩形”、“直墙拱顶形”和“三心拱形”、滞后架工字钢棚接顶充填，调整锚杆、锚索长度，增加强度与刚度，确保巷道成型稳定，从观察有所缓解，但从长效机制看，此类支护方式仍不能根本上解决巷道收敛量较大的问题。

3 更换支护方式的研究

针对2874综采机巷掘进工作面受到断层构造带切割破坏、巷道围岩破碎、松散的特点，应当视巷道内岩体被断层破坏的情况进行注浆加固，对已经破碎和松散的煤岩体进行注浆加固，提高破碎煤岩体的胶结能力、强度与内聚力和内摩擦角，增强岩体强度、刚度、支护结构的稳定性，进一步增强支护阻力控制煤岩层里层、滑动以及塑性变形。通过对围岩注浆加固，提高岩体抗压、抗拉强度，并使之成为支护结构中的一部份，扩大支护补偿能量，提高巷道支护自稳能力和承载力。

4 技术支撑路径

锚索网注联合支护可以控制锚固区煤岩层滑动、离层、裂隙张大、新裂隙产生等严重变形及破坏，抑制围岩的变形增大通过采取注浆加固岩体抗压强度，增强岩体内聚力和弹模与磨擦力，最大程度的保证了锚固区围岩的整体完好性，减小锚固区煤岩层强度的降低，使围岩成为了抗压抗拉的主体。锚固范围内形成了预应力较大的承载支护结构，防止了锚固区外煤岩层发生离层破坏与煤体塑性区的扩容发展。同时对深部煤岩层应力的发展起到了控制作用。锚索预应力的扩散对巷道的支护效果起到决定性作用，根据巷道受断层影响情况确定合理锚索的预应力，并使锚索预应力有效进行扩散是支护设计的关键一环，按照要求锚索预应力应设计在抗拉强度的50%。其次，通过其它支护构件，如金属网、M钢带、钢梁、形成完整的支护结构，将预应力传递到深部岩层中，才能有效的控制顶板的离层和沉降。增强断层破碎巷道的支护强度，即使巷道需要锚固区没有产生明显的离层和拉应力所需要达到的支护强度，也需要保持合理组作的支护阻力。巷道内支护系统的支护强度长期小于巷道临界支护强度，巷道内煤岩层也将长期处于逐渐变形的不稳定状态。如果支护系统的强度能够达到或者超过巷道临界支护需要的强度，巷道内煤岩层变形将得到有效控制，巷道将长期处于稳定状态。支护强度的关键影响因素是巷道内锚杆锚索预应力的强弱。

锚网索注喷支护对巷道深部煤岩层的影响：巷道内受断层破坏弹性变形及峰值强度之前的锚固区变形控制作用并不是特别明显，但是考虑到支护结构上要求的支护系统所应有的足够的延伸率及连续变形压力需要得到释放。在适应巷道围岩不断变形过程中，要求巷道锚网索支护必须有较高的抗拉强度与耐冲击性，因此必须通过注浆与喷浆提高顶板岩性和煤体抗压强度，和巷道护表强度，确保巷道岩层整体的稳定。

巷道内支护锚索径向应力将锚杆形成的支护承载体育巷道深部围岩体相连，形成巷道整体稳定的支护结构，进一步发挥了深部围岩的承载作用，使更大范围的岩体承载巷道的压力破坏，减小了局部承载力过重的问题；其次由于锚索施加了更大的径向应力，给巷道围岩提供了压应力，同其他支护方法结合组合成骨架状结构，主动进行巷道支护，保持巷道围岩整体稳定性。

中空注浆锚索：注浆锚索的发挥了锚与注的独特作用，实现发先锚后注，锚注一体，固结成梁，胶结成拱。新式中空注浆锚索注浆之后，浆液渗入松散破碎的围岩，将周围松散破碎的围岩与煤体胶结成一个整体，进一步提高了煤岩层强度，最终实现利用围岩本身作为巷道支护结构的一部分；且与原岩统一成一个整体，使巷道能够保持稳定而不产生大的变形破坏。

中空锚注浆锚杆技术可以利用其自身较“短”的优势，在两帮直墙设计安装中空注浆锚杆，封堵岩石裂隙、隔绝空气，防止围风化，并将周围松散破碎煤岩体胶结成一块，从而提高了岩体的弹性模量及内聚力。

配合常规的锚喷支护形成多层有效的组合拱，扩大了巷道内支护结构所承载的范围，大大提高了支护结构的整体承载能力，从而提高了巷道围岩的力学性能，改善围岩的受力状态。

5 围岩注浆加固技术运用与效果

提高巷道内破碎煤岩体的支护强度，利用注浆锚索内的浆液充填巷道内围岩体的裂隙，将碎裂的围岩固结起来，使碎裂的围岩体内块体粘结成统一的整体结构，同时通过中空注浆技术使原破裂块体由原先的单向或双向受力的状态改变为三向受力状态，从而进一步提高了碎裂岩体残余强度和改善了其自身的力学性能。注浆锚索向围岩中注浆，也使得注浆锚索本身由原先的端部锚固变为全长锚固，从而大大提高了锚索的锚固能力以及锚固体的强度，同时对巷道围岩的承载能力有增大作用，提高了巷道支护结构的整体性，保证了巷道围岩的稳固。

6 结束语

煤岩体注浆封堵技术可以有效防止断层附近流水通道，隔离巷道内流水防止淋水对巷道煤岩体的软化侵蚀，风化作用对巷道围岩的强度也能造成较大的损失，围岩注浆后进行裂隙封堵，可以有效方式煤岩体发生风化。工作面在采用中空注浆锚索技术后，巷道变形量显著减小，2874机巷逐渐穿过DF5断层影响区域，从后续巷道顶板压力观测来看，支护方式有效可靠。

参考文献

[1]何满潮，袁和生，靖洪文，等.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.

[2]何满潮，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究[J].巖石力学与工程学报，2005.