张亮

（晋能控股煤业集团 晋城煤炭事业部，山西 晋城 048000）

统计资料显示，断层构造在各种诱发煤壁和顶板事故中的占比较高，且断层构造极易引发煤壁片帮和冒顶事故。现有的研究大多集中在工作面过与煤层走向垂直的断层时顶板控制方面，而对其余情形研究较少。本文以长平公司六盘区主运巷为研究对象，在分析掘进工作面过断层顶板垮落、片帮、冒顶破坏机理的基础上，进行深浅分带刚柔耦合注浆施工方案可行性的数值模拟，并对加固效果进行现场验证，为该注浆加固技术的推广应用提供参考。

长平公司六盘区主运巷在向西掘进的过程中，根据地测预报，前方存在两处地质异常区域（背斜影响区域和断层影响区域）。六盘区主运巷由1 号横川向西580～605 m 为背斜影响区域，两翼倾角为2°～4°，局部最大可达8°，相对宽缓背斜。六盘区主运巷1 号横川向前约586 m 将可能揭露倾向75°，倾角70°，落差约2 m 的正断层FW2306-1；
六盘区主运巷1 号横川向前约616 m将可能揭露倾向260°，倾角40°～60°，落差1～2.5 m 的正断层FW2306-2。由于工作面处于背斜轴部急下坡段，最大坡度14°左右，上述2 条断层也可能是局部坡度突变和煤层厚度变化造成的。

为确保六盘区主运巷过地质异常区域的施工安全，必须对其顶板控制进行分析探讨。六盘区主运巷长16 m、高3.5 m，掘进工作面在过断层过程中，采用注浆支护方案，以高分子聚亚胺胶脂为主要注浆材料，注浆孔的布置情况如图1 所示。

图1 注浆孔布置情况Fig.1 Grouting hole arrangement

在与顶板相距1.5 m 的位置斜向上75°设置一排孔径25 mm、孔距3.0 m、孔深5.0 m 的注浆孔，沿工作面走向布置。但在工作面掘进至断层周围时，顶板围堰节理、裂隙发育，在断层的影响下出现严重的片帮、冒顶，表明原支护方案无法满足掘进工作面正常推进要求。

结合正断层破断机理及长平公司六盘区主运巷现场实际情况，提出深浅分带刚柔耦合注浆控制技术，具体如图2 所示。

图2 深浅分带刚柔耦合注浆支护Fig.2 Deep and shallowzoning rigid-flexible coupling grouting support

过断层顶板注浆采用刚性无机材料和柔性有机材料相结合的方案。刚性注浆材料初凝时间3～7 s，0.5 h 抗压强度不小于16 MPa，24 h 抗压强度不小于20 MPa，水灰比0.8，微膨胀率不小于0.2%，注浆压力1.0～3.0 MPa，浆液扩散半径1.0～1.5 m，且具有早强、快凝、不干缩等特点；
柔性注浆材料初凝时间3～5 s，抗压强度不小于0.8 MPa，发泡倍数可达30 倍，注浆压力为3.0～5.0 MPa，浆液扩散半径1.5～2.0 m，具有高膨胀率、强压缩性、快凝等特征。

向工作面顶板断层带围岩浅部裂隙发育带注入刚性无机浆液，向深部微裂隙带内注入柔性有机浆液。利用具备刚性属性的无机浆液将顶板浅部破碎带胶结成强度较高的支撑结构，并且将顶板浅部发挥载荷作用的围岩固化成承载体结构，充分发挥其承载性能。将浆液颗粒小的柔性有机发泡材料注入深部岩体后，深部微裂隙带会形成柔性减压层，在高应力影响下将注浆结构体内空洞挤密，同时释放原位压力，保证围岩结构的长期稳定性。该深浅分带刚柔耦合注浆技术能较好发挥支护作用和围岩结构的自载性能，并能有效控制顶板极限剪应力。

六盘区主运巷断层带浅部破碎岩体集中分布于深度为0～1.9 m，深部微裂隙带岩体集中在2.8～6.5 m，探测结果显示，裂隙带和围岩破碎带范围存在较大的扩展可能。根据这些情况，确定浅部和深部注浆孔埋深分别为2.4 m 和6.0 m，注浆压力分别为2.5 MPa 和4.8 MPa。

3.1 模型创建

应用FLAC3D 模拟软件进行实体建模。六盘区主运巷断层带地质条件复杂，网格划分困难，因此通过AutoCAD-ANSYS-FLAC3D 等系列技术构建数值模型。其中掘进工作面断层二维平面图通过AutoCAD 绘制，将断层按照煤层归集为若干组，便于此后工作面开挖网格的完整划分；
在此基础上，单独地将待开挖工作面作为1 个分组处理后导入ANSYS 软件，结合工作面实际情况，进行材料属性及单元定义后划分网格，拉伸成体；
将所得出的数值计算模型转化成FLAC3D 软件能够识别的格式，并重新进行分组处理和相关参数的添加，随即对相关数值展开模拟。应用长40 m、宽44.5 m、高10 m 的Mohr-Coulomb 本构模型，共包括71 650个单元和76 492 个节点，数值计算模型如图3 所示，注浆体力学参数见表1。

表1 深浅分带刚柔耦合注浆体力学参数Table 1 Mechanical parameters of deep and shallowzoning rigid-flexible coupling grouting body

图3 数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model

3.2 模拟结果

对六盘区主运巷断层带应用深浅分带刚柔耦合注浆技术的加固支护效果主要体现在工作面塑性区破坏深度及位移等方面，因此对这两方面进行模拟分析，结果如图4、图5 所示。

图4 围岩破坏Fig.4 Failure of surrounding rock

图5 工作面顶板位移Fig.5 Roof displacement of working face

原注浆方案下注浆加固后顶板、煤壁处围岩破坏深度分别为5.4 m 和4.7 m，使用深浅分带刚柔耦合注浆技术优化处理后顶板、煤壁处围岩的破坏深度缩小为1.0 m 和1.3 m 左右，塑性区破坏深度得到有效控制。

根据对不同注浆加固方案下工作面过断层顶板下沉量的模拟看出，原方案下顶板下沉量为38 cm，深浅分带刚柔耦合注浆加固技术应用后顶板下沉量在6.5 cm 左右，采用优化方案后工作面顶板围岩属性发生了显著改善，浅部应力也随之消除。

按照深浅分带刚柔耦合注浆施工要求进行六盘区主运巷过断层顶板支护处理，按照要求设置综合矿压观测站对工作面煤壁以及顶板可能发生的位移情况进行实时监测，并将监测结果与原注浆方案位移值进行比较，具体见表2 和表3。

表2 顶板移近量观测结果比较Table 2 Roof convergence observation results comparison

表3 煤壁移近量观测结果比较Table 3 Comparison of observation results of coal wall displacement

根据表2、表3 可知，在采取支护方案支护30 d 后工作面过断层顶板和煤壁移近量逐渐趋于稳定，原方案下顶板移近量稳定在350 mm 左右，而采取深浅分带刚柔耦合注浆施工技术后顶板移近量稳定在60 mm 左右；
原注浆方案下煤壁移近量为362.7 mm，而采取深浅分带刚柔耦合注浆施工后煤壁移近量仅为54.1 mm，降幅明显。以上应用结果的对比分析表明，深浅分带刚柔耦合注浆施工技术应用后，煤巷工作面过断层片帮及冒顶问题均能得到有效解决，围岩稳定性显著提高。

综上所述，对于过断层掘进工作面，如果支护形式不适用，将导致支护强度不足，无法有效控制工作面软弱围岩变形，引发大面积断层区域失稳、片帮及冒顶事故的发生。本文以长平公司六盘区主运巷为研究对象，针对该掘进工作面过断层原支护方案支护强度不足导致片帮、冒顶等问题，提出深浅分带刚柔耦合注浆技术。通过FLAC3D 软件对该新型注浆加固技术的应用及加固效果进行模拟分析，并应用到工程实践中。现场监测结果表明，深浅分带刚柔耦合注浆技术应用后，煤巷工作面过断层顶板移近量和煤壁移近量均明显减小，解决了掘进工作面过断层顶板片帮、冒顶等问题，保障了工作面开采安全。

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