煤矿井下过断层支护技术的优化研究

马 磊

（潞安化工集团司马煤业有限公司，山西 长治 047199）

司马矿在巷道掘进的过程中经常会遇到断层破碎带，在过断层施工的过程中极易出现透水、巷道垮塌等事故[1]，传统支护方案难以保证巷道的稳定性，给煤矿井下掘进作业安全带来了极大的挑战。针对过断层带的特殊地质条件，提出了一种新的煤矿井下过断层支护技术，首先利用TSP 物探技术探测速度快、可靠性高的优势对断层区域的地质情况进行分析，解决了传统钻进探测方案效率低的不足，然后根据探测结果提出了超前预注浆支护+锚网索联合支护的方案，提升了巷道过断层区域的稳定性。

1 TSP 物探方案

司马矿目前的掘进作业巷道位于地下696 m 处，煤层的平均厚度为6.28 m，不含夹矸层。在巷道前方出现断层带，富水量较大，单位时间内的平均涌出量约为0.428 L/s.m，富水区域的平均渗透系数为1.032 m/d，在巷道掘进过程中易出现涌水。

井下巷道掘进10 m 时开始进行TSP 物探，共进行20 次炮震，每个炮震点的距离为1500 mm，设备采样率为50 Hz，数据记录的长度为440 ms，利用探测器对炮震后的反射波进行收集和分析，第一次物探结果如图1。

图1 TSP 物探结果示意图

由物探结果可知，在探测区域前方13 m 的范围内，岩层稳定性高，密度均匀；在探测区域前方13～44 m 的范围内，岩层破碎度较高，反射面比较密集，表明整个区域的岩层稳定性差，裂隙内含水量多，出现涌水的概率较大，因此是加强防水和支护的重点区域；在探测区域前方44～120 m的范围内，反射均匀，可以判断其围岩强度高，完整性比较好，稳定性强。

TSP 物探的方案[2-3]能够实现对巷道围岩周围情况的快速判断，为巷道掘进和支护提供理论基础。根据实际验证，该物探方案的效率比传统钻进取样分析提升了4.4 倍，其准确性达到了93.6%。

2 支护方案优化

通过TSP 物探分析，在过断层带围岩破碎区域需要进行专门的防水和加强支护，根据井下实际情况，综合分析后决定采用超前预注浆支护+锚网索联合支护的方案[4]。为了对该方案的应用可行性进行分析，采用FLAC 仿真分析的方案对其支护效果进行分析。

建立模型尺寸选择80 m×80 m×60 m，按自由网格划分的方案对其进行网格划分，网格数量总共为37 285 个。根据地质监测，在掘进扰动和矿压波动下的最大波动应力为11.85 MPa。仿真分析结果如图2。

图2 仿真分析结果示意图

由仿真分析结果可知，在过断层带区域采用新的超前预注浆支护+锚网索联合支护的方案，能够保持巷道在掘进作业过程中的稳定性。巷道最大底鼓量约为180 mm，顶板最大下沉量约为124 mm，顶底板最大移近量为304 mm；巷道右帮的变形量约为116 mm，巷道左帮的最大变形量约为94 mm，巷道两帮的最大移近量约为210 m，远低于采用传统支护方案时巷道顶底板1190 mm 及巷道两帮640 mm 的变形量。因此，该支护方案从理论分析上满足陷落柱区域的支护要求。

3 超前预注浆加固

井下过断层带区域，由于围岩破碎度高，稳定性差，容易出现渗水现象，影响井下的施工安全和效率，需进行注浆加固[5]。通过注浆料的填充，一方面阻断渗水的通道，一方面又能够提高围岩的完整性和结构强度，从而有效抵御在掘进作业期间巷道的变形。在注浆过程中，注浆料的选择尤为重要，一方面要保证在有水环境下的快速凝结，另一方面又要保证注浆料的高渗透性和胶结强度。本文选择的是一种新型的以无机矿粉为主要成分的凝结料，其水灰比为0.8:1，扩散半径为2.6 m。经验证，该材料在2 h 后的凝结强度为12.8 MPa，在24 h 后的凝结强度为14.6 MPa，在72 h 后的凝结强度可以达到15.7 MPa，具有显著的凝结速度快、流动性高、胶结强度高的优点。

巷道断面尺寸为3.5 m×5 m，根据井下断层破碎带长度，将注浆孔的深度设定为16 m，注浆孔需要沿着矩形巷道的断面向着轮廓外侧延伸400 m 布置。在断面处设置了7 个注浆孔，顶板上注浆孔之间的距离设为2.7 m，在巷道两帮上的注浆孔距离设为2.4 m，井下巷道内注浆孔设置结构如图3。

图3 巷道内注浆孔布置结构示意图（mm）

4 锚网索联合支护

注浆加固方案只能部分提高巷道破碎围岩的稳定性，无法保证在整个掘进作业期间的巷道稳定性，因此在注浆加固的基础上，提出采用锚网索联合加强支护的方案。

在巷道顶板处布置了六组高强度锚杆，每个锚杆的直径22 mm，最大屈服强度超过550 MPa，锚杆间距设为900 mm，锚杆排距设为1000 mm，两侧的锚杆采用向内14°布置的结构，锚杆锁紧时的预紧力不小于350 N·m。锚索采用了1×19 股的高强度低松弛钢绞线，锚索直径为22 mm，锚索布置间距和排距均为2000 mm，每排设置2 组锚索，预紧力不低于350 kN。

巷道两帮各设置三组锚杆，锚杆规格和顶板锚杆统一，锚杆间距和排距均设置为1000 mm，外侧的锚杆统一往内倾斜14°布置，预紧力矩均不小于350 N·m。锚索间距设置为1600 mm，排距设置为200 mm，在每排设置2 组锚索，预紧力不低于350 kN。锚网索联合支护结构如图4。

图4 井下巷道支护断面图（mm）

5 支护效果分析

为了对支护实际效果进行分析，分别设置了2个监测点，对掘进作业过程中过断层带区域的巷道围岩变化情况进行研究，实际监测结果如图5。

图5 井下巷道变形量汇总

由图5（a）可知，巷道两帮的变形量在第28天时基本趋于稳定，平均最大变形量约为196 mm，比传统支护方案时640 mm 的变形量降低了69.4%，表明该支护方案能够有效地降低井下巷道两帮的变形量，提高巷道在掘进作业过程中的稳定性。

由图5（b）可知，巷道顶板变形量在第25 天时基本趋于稳定，平均最大变形量约为277 mm，比传统支护方案时1190 mm 的变形量降低了76.7%，有效提升了巷道顶板在掘进作业过程中的稳定性。

实际支护情况下的两帮变形量与仿真分析时210 mm 的理论分析结果偏差仅为6.7%，顶板的实际变形量与仿真分析结果的偏差为8.9%，表明该仿真分析结果的可靠性，能够有效地指导井下巷道支护方案的制定，进一步为提高支护巷道的可靠性奠定了基础。

6 结论

针对断层带地质条件复杂、易透水、易垮落的缺陷，利用TSP 物探技术对井下断层带地质情况快速勘探，利用超前预注浆支护+锚网索联合支护的方案对过断层巷道进行加强支护，提升了巷道围岩的稳定性，根据实际应用表明：

（1）TSP 物探方案的勘探效率比传统钻进取样分析提升了4.4 倍，其准确性达到了93.6%。

（2）新的支护技术将两帮的变形量降低了69.4%，顶板变形量降低了76.7%，显著提升了过断层巷道施工可靠性和安全性。

（3）利用FLAC 仿真分析的方案，巷道变形的仿真分析结果和实际偏差量约为6.7%，顶板变形量和实际监测结果偏差约为8.9%。