赵慧鹏

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西 太原 030053）

随着我国煤炭开采年限的不断增加，煤炭资源的开采由赋存较为简单的煤层逐步向着赋存较为复杂的煤层转移。在进行煤矿作业时，地质特征的多样性对矿山开采有一定影响，一旦遇到断层工作面时，工作面的顶板变形量会增大，导致工作面控制难度增加，容易导致冒顶、片帮事故，严重威胁矿山的正常生产。本文以镇城底矿为研究背景，利用数值模拟软件对巷道过断层注浆支护进行研究，以为矿山安全生产提供一定的参考。

1 矿井概况及数值模拟的建立

1.1 镇城底矿井概况

镇城底矿隶属于焦煤集团，其位置位于山西省古交市西北处，据统计，镇城底矿井田占地面积约16.63 km2，矿井西北走向6.6 km，南北走向平均宽度约为3.6 km，镇城底矿年设计生产能力为190万t。22605工作面地表位于八字山村北东，保温材料厂以西，八字山回风井以北，歇马村以东；南东为赤泥岩村，地面有428地质钻孔，盖山厚度为294～450 m；目前主采2、3号煤层，采用的是综采放顶煤采煤工艺。3号煤层的22605工作面进行开切眼布置时，遇到正断层，造成工作面破碎而不稳定，最终导致工作面支护困难，因此，本文对断层注浆支护进行了研究[1]。

大倾角的综采面回采过程中若遇到断层破碎带，由于断层区域的岩体完整性较差，岩体的强度较低，此时在破碎带周边的顶板出现大变形和运移的可能性大幅度提升，尤其对倾斜工作面的上端顶板岩体影响最为明显。因此，岩体在此范围内的应力情况十分复杂，围岩的控制难度也很大，且大倾角走向长壁工作面的支护本身就较为困难，遇到断层后无疑增加了困难程度，并难以保证顶板和支架的稳定性[5-6]。当回采工作面推进至断层破碎带的应力集中区时，断层的倾向沿着开采的方向，回采工作面前方的煤（岩）体支承压力大幅度提升，此时煤体或岩石中会出现明显的缝隙，煤层及煤柱的强度大幅减小，底板的稳定性降低，峰值压力出现的位置逐渐向岩体前端转移，且峰值压力增加。无断层与有断层围岩受力对比图如图1所示。

图1 无断层与有断层围岩受力情况

在大倾角工作面开采时，由于围岩应力的不均匀分布，使得不同位置的矿压显现情况不同，此外，顶板的垮落速度与底板破坏的速度也不同，从而导致了工作面的围岩支架系统不稳定，易造成工作面事故的发生。

1.2 数值模拟的建立

以镇城底矿22605为研究对象，采用数值模拟对可提高工作面断层破碎顶板稳定性的一种注浆加固技术进行研究。注浆加固技术研究可以实现的数值模拟主要包括有限元法、离散元和有限差分法等。本文主要通过对比注浆材料、注浆参数等因素对断层破碎顶板的加固效果进行分析，并采用有限差分法模拟软件FLAC3D进行模拟分析[2]。

注浆材料通常可分为水泥类浆液与化学类浆液。常见的化学类浆液主要为环氧树脂类的固化剂。有研究发现，水泥浆的水灰比为1.0∶0.8时扩散性好，但其加固强度较低，所以不予选择；当水泥浆水灰比为1∶1时，此时的扩散性差但强度较好。因此，为了保证单一变量原则，决定选择水泥浆的水灰比为1.0∶0.8来进行数值模拟研究[3]。

首先建立数值模拟模型，通过对实际地质条件进行一定的简化，设计三维立体模型。由于本文主要研究断层破碎顶板区域，所以对断层破碎区进行设计。查阅资料可知，断层破碎带的影响范围大致在沿着走向长度60 m的范围内，且断层的类型为正断层，正断层的倾角为50°，上下落差达到5 m。工作面的长度设计为180 m，但由于模拟存在一定的边界效应，这会在一定程度上影响模拟结果，所以为了避免边界效应，在模型的两端各留出150 m的边界效应区，将模型的总长度设计为480 m。开切眼巷道的宽度设计为7.8 m，煤层高约为3 m，煤岩层为近水平分布，巷道顶板的冒落高度为10 m。所以模型的长度为200 m、宽为65 m，将模型视为均匀连续介质，并选用Mohr-Coulomb准则完成模型设计。对模型进行边界条件设置时，将整个模型的下边界设定为固定约束，限制模型X、Y、Z方向的移动；在模型的四周设定水平方向约束，限制四边水平方向的位移。在模型的上端施加均布载荷，根据实际计算，在模型上端施加的覆岩自重应力设定为5.56 MPa。最后根据实际地质情况，对岩石的属性进行设置。完成所有设置后，对模型进行计算。

2 数值模拟分析

2.1 注浆材料对顶板下沉量的影响分析

在巷道直接顶布置监测点，以监测切眼巷道开挖过程中顶板的变化情况，监测点的布置按照随与断层距离的减小而密的原则进行布置，共布置104个监测点。首先对加固前的位移云图进行研究，模拟云图如2所示。

图2中的模拟负值代表顶板向下位移，从图2中可以看出加固前的岩层位移量较大，在模型中的位移量最大值已经达到171.43 mm。同时，在断层带影响区域的覆岩层位移量与其他区域的覆岩位移量大不相同，这是由于断层的存在使得覆岩发生了一定的错动，从而造成覆岩变形量增大。

图2 加固前位移（m）模拟云图

对不同注浆材料下的巷道顶板下沉量进行模拟研究，并利用Origin软件绘制对比曲线图，如图3所示。

图3 不同注浆材料下顶板下沉量对比曲线

从图3中可以看出，无论是选择不经过注浆加固还是选择两种注浆加固方法，顶板的下沉曲线均随测点位置的变化呈现出先增大后减小的趋势，且均在测点位置为125 m处时取到最大值。同时，未经注浆加固时顶板的下沉量最大值为171.43 mm；经过水泥浆注浆加固后的顶板的下沉量最大值为98.41 mm；当选择环氧树脂注浆加固后，巷道顶板最大下沉量仅为4.13 mm。由此得出，环氧树脂浆液能够更好地强化对顶板的稳定性，加固后顶板的下沉量明显减小，且加固效果明显大于水泥浆。

2.2 不同λ值对顶板下沉量影响分析

根据注浆工艺参数对加固效果的影响及浆液的扩散性质，设计对比值λ，用于表示注浆孔的间排距与浆液扩散距离的几何倍数关系，分别选择λ值为1、1.5、2进行分析，根据模拟结果绘制不同λ值下顶板下沉量曲线图，如图4所示。

图4 不同λ值下顶板下沉量曲线

从图4可以看出，顶板下沉量曲线随着测点距离的增大同样呈现出先增大后减小的趋势，同样在125 m处的位置取到三种λ值的下沉最大值。当λ为2时，此时的顶板下沉量取到最大值为9.02 mm，为三种λ值中的最大值；当λ为1.5时，此时的顶板下沉量取到最大值为6.28 mm；当λ为1时，此时的顶板下沉量取到最大值为4.13 mm，为三种取值中的最小值。由此可以看出，随着间排距的增大，巷道顶板的加固效果降低，巷道顶板下沉量增大，岩石的稳定性下降。

3 结论

1）为了研究过断层巷道支护技术，以镇城底矿为研究背景，对有无断层的围岩受力进行分析，并建立了数值模拟模型，为后续的模拟研究提供基础。

2）利用数值模拟软件对不同注浆材料及无注浆条件下的巷道顶板下沉量进行分析，发现注浆加固后顶板的变形量显著降低，且利用环氧树脂加固后顶板下沉量最小。

3）利用数值模拟软件对不同λ值下的巷道顶板下沉量进行分析，发现随着λ值的增大，顶板下沉量逐步降低，当λ值为1时下沉量最小。