余吾煤業(yè)過(guò)斷層巷道支護(hù)技術(shù)研究

申勇杰

（山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 工程背景

余吾煤業(yè)現(xiàn)主采3#煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600萬(wàn)t/a，煤層厚度5～7.25m，平均5.99m，全區(qū)穩(wěn)定可采。該礦S1301工作面專用回風(fēng)巷為矩形斷面，斷面寬度4.5m，高度3m，現(xiàn)已掘進(jìn)完畢并通過(guò)了F9正斷層。F9斷層斷距為1～2m，走向216°，傾角35°，傾向306°。由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的支護(hù)方案未能較好地控制斷層處回風(fēng)巷圍巖的穩(wěn)定性，導(dǎo)致S1301回風(fēng)巷過(guò)斷層后頂?shù)装寮皟蓭统霈F(xiàn)大面積破碎。該煤層下一工作面的S1302工作面運(yùn)輸巷也為矩形斷面，斷面寬度4.5m，高度3m，現(xiàn)已施工637m。迎頭距離F11正斷層剩余83m，F(xiàn)11斷層預(yù)計(jì)上下盤斷距為1～1.4m，走向230°，傾角70°，傾向320°。S1302及S1301工作面巖層巖性分布大致相同，工作面無(wú)偽頂，直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度6m，基本頂以粗粒砂巖為主，平均厚度為8m，直接底主要為泥巖，平均厚度7m，基本底巖性以粉砂巖為主，平均厚度10m。為防止S1302運(yùn)輸巷過(guò)斷層時(shí)出現(xiàn)與S1301回風(fēng)巷同樣的情況，有必要設(shè)計(jì)有效的支護(hù)方案，使S1302運(yùn)輸巷安全高效地通過(guò)斷層。

2 巷道破壞機(jī)理

（1）由于斷層是巖層上下盤錯(cuò)動(dòng)發(fā)生明顯位移的地質(zhì)構(gòu)造，所以斷層上下盤之間的斷層帶內(nèi)巖石較破碎且?jiàn)A雜大量泥石混合物。斷層帶內(nèi)雜物遇水會(huì)有明顯的膨脹性，對(duì)巷道產(chǎn)生擠壓作用，不利于巷道支護(hù)。

（2）巷道過(guò)斷層處的圍巖破碎較嚴(yán)重，巖體本身沒(méi)有良好的膠結(jié)穩(wěn)定性，在巷道開(kāi)挖的擾動(dòng)下，應(yīng)力重新分布非常復(fù)雜，極易發(fā)生大面積的破碎與變形現(xiàn)象。

（3）由于斷層的影響，巷道直接頂與基本頂連接性變差，易出現(xiàn)離層現(xiàn)象。若支護(hù)方案中的錨索長(zhǎng)度不足，則無(wú)法充分發(fā)揮錨索的懸吊作用，一旦發(fā)生直接頂與基本頂?shù)碾x層，容易出現(xiàn)巷道頂板的大面積垮落及錨索拉斷等現(xiàn)象。

（4）由于斷層帶附近構(gòu)造應(yīng)力較為復(fù)雜，巷道穿過(guò)斷層時(shí)，其軸向與構(gòu)造水平應(yīng)力往往會(huì)存在一定的夾角。夾角的存在使得巷道原本破碎的頂?shù)装逶谒綉?yīng)力的影響下更易發(fā)生剪切及拉伸破壞。頂?shù)装宓淖冃纹茐挠质沟酶矌r應(yīng)力向巷幫集中，最終使得斷層處巷道整體破壞失穩(wěn)。

3 巷道過(guò)斷層安全支護(hù)技術(shù)

（1）超前預(yù)注漿加固

根據(jù)F11斷層賦存狀態(tài)、破碎區(qū)域范圍及運(yùn)輸巷布置、掘進(jìn)情況，確定出運(yùn)輸巷預(yù)注漿加固施工方案如下：在距斷層帶10m附近時(shí)，沿巷道斷面輪廓布置注漿孔，孔長(zhǎng)均為15m，超前預(yù)注漿鉆孔共布置10個(gè)孔，注漿孔施工圖如圖1所示。其中1～3號(hào)注漿孔沿巷道斷面的頂板布置，鉆孔均向上傾斜4°～6°，孔間距2000mm，確保巷道掘進(jìn)過(guò)程中頂板保持完整性，不發(fā)生垮落；4～5號(hào)及6～7號(hào)注漿孔分別布置于巷道兩幫，孔間距2000mm，鉆孔均保持平行布置，保證巷道兩幫及掌子面的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，較好地支撐頂板；8～10號(hào)注漿孔沿底板布置，孔間距2000mm，均向下傾斜4°～6°，保證巷道過(guò)斷層破底前進(jìn)時(shí)，巷道頂?shù)装迤扑閹r體不發(fā)生大面積冒落。10個(gè)鉆孔發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，保證巷道安全通過(guò)斷層的同時(shí)又能維持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在回采時(shí)依然保持破碎巖體的整體性。注漿材料以無(wú)機(jī)礦粉為主原料，配比一定的早凝劑及其他細(xì)骨料。該注漿材料不僅強(qiáng)度高、凝結(jié)速度快、與巖體膠結(jié)性高、滲透率高，而且經(jīng)濟(jì)環(huán)保，對(duì)地下環(huán)境無(wú)污染。

圖1 注漿孔施工圖（單位：mm）

（2）聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)

根據(jù)S1302運(yùn)輸巷過(guò)斷層破碎帶的工程地質(zhì)條件，在注漿加固斷層破碎帶巖體的基礎(chǔ)上優(yōu)化加強(qiáng)原支護(hù)方式，具體支護(hù)方案如下：

S1302運(yùn)輸巷圍巖完整處的支護(hù)方案與原支護(hù)方案相同，而將斷層破碎帶處的巷道頂板錨桿數(shù)量增加為6根，錨桿的間排距縮小為800mm×1000mm，改用抗剪、抗拉強(qiáng)度高的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼強(qiáng)力錨桿。頂錨桿直徑22mm，長(zhǎng)度2400mm，頂板兩邊的錨桿分別向左或向右傾斜15°布置。為了保持錨桿對(duì)圍巖體的組合支護(hù)作用，托盤處施加的預(yù)緊力矩應(yīng)不小于400N·m。頂錨索采用1×18股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制作，錨索直徑22.6mm，長(zhǎng)度6.4m，間排距為2000mm×2000mm，每排布置2根錨索。為防止頂板發(fā)生離層現(xiàn)象，托盤處施加的預(yù)緊力矩應(yīng)不小于800N·m。巷道的兩幫各布置3根錨桿，錨桿規(guī)格及參數(shù)與頂板錨桿相同，錨桿排間距為1200 mm×1000mm，上下兩幫錨桿分別向頂板或底板傾斜15°布置。幫錨索參數(shù)及規(guī)格與頂錨索相同，間排距改為1000mm×1000mm，每排每幫各布置兩根錨索。巷道聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)布置如圖2所示。

圖2 運(yùn)輸巷加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)圖

4 數(shù)值模擬

為評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的支護(hù)方案能否較好地保證S1302運(yùn)輸巷過(guò)斷層的穩(wěn)定性，通過(guò)數(shù)值模擬的方法分別對(duì)S1301回風(fēng)巷及S1302運(yùn)輸巷過(guò)斷層支護(hù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，對(duì)比分析兩種方案在斷層圍巖破碎段巷道的支護(hù)效果。

（1）模型建立

根據(jù)3#煤層工程地質(zhì)概況，建立FLAC3D數(shù)值模擬模型，模擬埋深300m，模型長(zhǎng)×寬×高=60m×50m×40m，共建立25870個(gè)單元，斷層模型如圖3所示。其中模擬的斷層落差為1.2m，模型四周采用位移固定約束，底部無(wú)約束，頂部施加9.5MPa的上覆巖層應(yīng)力，根據(jù)巖層屬性及斷層構(gòu)造設(shè)置側(cè)壓系數(shù)為1.2。待模型初始應(yīng)力平衡后，先沿3#煤層底板掘進(jìn)S1301回風(fēng)巷，過(guò)斷層方式為破底掘進(jìn)，采用原支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)模擬。隨后重新導(dǎo)入初始平衡模型，進(jìn)行S1302運(yùn)輸巷的開(kāi)挖，運(yùn)輸巷掘進(jìn)及過(guò)斷層方式與回風(fēng)巷相同，巷道完整段支護(hù)方式也與回風(fēng)巷相同，但斷層處的支護(hù)方式采用“超前預(yù)注漿加固+加強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)”的方式進(jìn)行模擬。

圖3 斷層模型圖

（2）模擬結(jié)果分析

回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷不同支護(hù)方式過(guò)斷層破碎帶時(shí)巷道塑性區(qū)分布情況如圖4所示。

由圖4（a）可知，S1301回風(fēng)平巷穿過(guò)斷層時(shí)巷道圍巖整體較破碎，原支護(hù)方案下巷道頂板及兩幫均出現(xiàn)大面積的剪切破壞，底板破壞深度為1.2m，兩幫中部還存在少量的拉破壞。這是由于圍巖破碎不連續(xù)，導(dǎo)致頂板受力不均勻，頂板承載能力不足使得應(yīng)力在兩幫集中并產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)剪切效應(yīng)，原支護(hù)方案下S1302回風(fēng)巷圍巖塑性破壞區(qū)的面積高達(dá)120m2，巷道的穩(wěn)定性及安全性較低。由圖4（b）可知，運(yùn)輸平巷在超前預(yù)注漿的作用下保持了圍巖的完整性，同時(shí)加強(qiáng)后的支護(hù)方案較好地將圍巖破碎帶與完整圍巖連接起來(lái)，防止了頂板離層及冒落現(xiàn)象的發(fā)生，頂?shù)装寮皟蓭蛢H存在少量剪切破壞及拉伸破壞，其塑性區(qū)面積僅為61m2，較原支護(hù)方案下的回風(fēng)巷下降了49.1%，有效地控制了巷道過(guò)斷層時(shí)的圍巖變形。

（3）支護(hù)效果分析

為驗(yàn)證運(yùn)輸巷過(guò)斷層時(shí)的支護(hù)效果，在運(yùn)輸巷掘進(jìn)至斷層帶前10m處布置測(cè)點(diǎn)，采用十字布點(diǎn)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸巷過(guò)斷層時(shí)及過(guò)斷層后圍巖變形及位移情況，分析支護(hù)效果。運(yùn)輸巷圍巖變形監(jiān)測(cè)情況如圖5所示。

由圖5可以看出，通過(guò)“超前預(yù)注漿加固+加強(qiáng)支護(hù)”的聯(lián)合支護(hù)方式，使得運(yùn)輸巷斷層處原本破碎的圍巖組成連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)。運(yùn)輸巷剛過(guò)斷層時(shí)，由于采動(dòng)影響較大，測(cè)點(diǎn)處兩幫圍巖及頂?shù)装鍑鷰r位移量都迅速增加，但巷道掘進(jìn)穿過(guò)斷層11d后圍巖位移便逐漸趨于穩(wěn)定，兩幫最大移進(jìn)量66.4mm,頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為86.2mm。巷道掘進(jìn)過(guò)斷層后30d頂?shù)装宓囊七M(jìn)量一直控制在85mm內(nèi)，兩幫移進(jìn)量控制在65mm內(nèi)，巷道過(guò)斷層帶的圍巖控制效果顯著，消除了安全隱患。

圖4 圍巖塑性區(qū)分布圖

圖5 巷道過(guò)斷層圍巖變形量

加強(qiáng)支護(hù)后的運(yùn)輸巷，在過(guò)斷層一個(gè)月后，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵廊槐３滞暾?，未出現(xiàn)明顯的破碎及變形，支護(hù)效果良好，避免了二次支護(hù)，節(jié)約成本的同時(shí)提高了掘進(jìn)速度，保證了工作面安全、高效的回采。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)分析巷道過(guò)斷層時(shí)的圍巖變形破壞機(jī)理，提出了運(yùn)輸巷安全過(guò)斷層的“超前預(yù)注漿加固+混合加強(qiáng)支護(hù)”的支護(hù)技術(shù)方案。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，提出的過(guò)斷層安全支護(hù)方式有效地控制了巷道的穩(wěn)定性。采用改進(jìn)技術(shù)支護(hù)后的運(yùn)輸巷，其塑性區(qū)破壞面積較原支護(hù)方案下的回風(fēng)巷下降了59m2。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出，加強(qiáng)支護(hù)后的運(yùn)輸巷圍巖變形量在10d內(nèi)便穩(wěn)定在100mm以內(nèi)，說(shuō)明優(yōu)化后的支護(hù)方案有效地控制了圍巖變形，為相同工況下的巷道支護(hù)提供了研究及參考價(jià)值。