深埋巷道過高水壓斷層控制對策研究

張小兵，潘夏輝

（1.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011；2.河南理工大學土木工程學院，河南焦作 454003）

隨著我國煤炭開采深度的不斷增大，深埋巷道工程實例日益增多[1-4]。由于深埋巷道所處的高應力環(huán)境，巷道圍巖在開挖后會表現(xiàn)出與淺部明顯不同的變形破壞特征，如非線性大變形、分區(qū)破裂等[5-7]。而當深埋巷道開挖通過導水斷層構造帶時，斷層巖體的軟弱性以及充水高壓性將進一步惡化巷道周邊圍巖的力學行為變化特征[8-9]，易造成突水或坍塌事故，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

針對斷層影響下巷道圍巖的變形破壞特征，李躍文[10]、郝長勝[11]、謝俊[12]等借助數(shù)值模擬軟件對不同工程條件下巷道圍巖的應力場、變形場以及塑性區(qū)展開分析研究，指出斷層構造會造成巷道圍巖應力分布不均，導致巷道頂板巖層裂隙較為發(fā)育且易垮落；在分析得到近斷層巷道圍巖變形破壞特征的基礎上，張念志[13]和王其洲[14]運用結構補償原理，研究提出新型高強穩(wěn)定型支護技術方案；任超[15]、寧太勇[16]、胡雪奎[17]提出以超前預注漿、U 型鋼棚、分段不等強支護、關鍵部位錨索強化等綜合治理方法安全、快速通過斷層。這些研究成果幫助解決了巷道過斷層破碎帶施工危險與支護困難的難題，然而其研究對象大多是不含水斷層或淺埋巷道，沒有考慮高應力與高水壓耦合作用下圍巖的力學與滲透性質(zhì)變化問題[18]，難以對高水壓深埋巷道圍巖穩(wěn)定控制提供有效數(shù)據(jù)支撐。為此，以邢東煤礦一條過導水斷層深埋巷道為背景，考慮巖石破壞后的強度下降與滲透率突變問題，首先對無支護條件下斷層附近深埋巷道圍巖位移、塑性區(qū)、滲透系數(shù)以及涌水量變化規(guī)律展開數(shù)值模擬研究，然后在此基礎上提出“超前預注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護控制對策[19-20]。

1 工程概況

邢東煤礦主采2#煤層平均厚度3.9 m，平均埋深1 038 m，側壓系數(shù)約為1.5；煤層直接頂板為厚3.34 m 的鋁土質(zhì)粉砂巖，其上為2.66 m 厚的粉細砂巖，再上則為10.14 m 厚的粉砂巖；煤層直接底板為3.5 m 厚的粉砂巖，往下為1.08 m 厚的薄煤層，再往下則為10.5 m 厚的粉砂巖。在該水平開拓工程中，2228 工作面運料巷長度262 m，沿著煤層底板掘進，截面形狀為矩形，寬高分別為5.0、3.5 m。巷道掘進期間遭遇1 處傾角為36°，傾向為134°，寬度為5.0 m，落差為5.0 m，水壓為8.7 MPa 的SF29斷層破碎帶，給巷道圍巖穩(wěn)定控制帶來巨大威脅。2228 工作面運料巷掘進遭遇斷層示意圖如圖1。

圖1 2228 工作面運料巷掘進遭遇斷層示意圖Fig.1 Schematic diagram for material roadway of 2228 working face through a fault

2 數(shù)值模擬模型

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)圣維南原理，采用FLAC3D建立的過斷層深埋巷道開挖數(shù)值模擬模型如圖2。

圖2 過斷層高應力巷道開挖數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model for the excavation of high-stress roadway through a fault

該模型長、寬、高分別為60、54、33.5 m，共包含371 472 個網(wǎng)格節(jié)點和355 320 個單元。模型邊界條件設置為底面固定、前后法向位移約束、左右施加壓力36.0 MPa、頂面施加壓力24.0 MPa。模擬巷道開挖掘進時，設置巷道每次掘進距離為3 m 且令巷道表面水壓力為0。

2.2 圍巖本構模型及參數(shù)設置

由于巖石在達到承載極限后，其強度會隨著塑性應變的增大而逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定；但由于巖石內(nèi)摩擦角變化幅度很小，可以認為基本不變[22]。因此，在設置巖石本構模型為應變軟化模型的條件下，可以認為巖石在不同階段強度的變化主要表現(xiàn)為巖石黏聚力的變化。

此外，考慮斷層內(nèi)高壓水會向巷道發(fā)生滲透，設置巖石為各向同性滲透模型，但由于巖石出現(xiàn)破壞后，其微裂隙會大幅度擴展而導致滲透系數(shù)提高，因此，采用式（1）來描述巖石的滲透率變化特征[23]：

式中：K 為巖石破壞后的滲透率；K0為巖石初始滲透率；α 為巖石體積應變增透系數(shù)；εv為巖石體積應變。

根據(jù)不同巖石的三軸壓縮以及滲透率測試結果[24-26]，取得的粉砂巖、粉細砂巖、煤巖及斷層巖體的物理、力學見表1，滲透參數(shù)見表2。

表1 巷道周邊巖層的物理、力學與滲透參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the roadway surrounding rocks

表2 巷道周邊巖層的滲透參數(shù)Table 2 Permeability parameters of the roadway surrounding rocks

3 高水壓斷層影響下深埋巷道變形破壞特征

3.1 變形特征

深埋巷道逐漸往高水壓斷層方向掘進時，無支護條件下巷道圍巖的位移變化曲線如圖3。

由圖3（a）可知，受斷層傾向的影響，高水壓斷層對深埋巷道頂板位移的影響要明顯強于底板，主要表現(xiàn)為：隨著巷道的向前推進，巷道頂板最大豎向位移將逐漸增大且增大速率越來越快，其在單進尺內(nèi)（巷道掘進面與斷層間距由12 m 縮減至9 m）的增長幅度可達到500 mm 以上；而巷道底板最大豎向位移則增長變化很小，其值穩(wěn)定在200 mm 左右。當深埋巷道掘進面與斷層間距等于12 m 時，巷道頂板將在斷層后方約12～18 m 的位置出現(xiàn)大約600 mm 的位移，意味著該范圍內(nèi)巖體已發(fā)生失穩(wěn)，將發(fā)生冒頂坍塌事故。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，高水壓導水斷層會阻礙巷道開挖釋放的高應力向深處傳遞，導致巷道圍巖在巷道與斷層之間產(chǎn)生附加應力，且這種附加應力隨著巷道與斷層間距的減小而不斷增大，因此，越靠近斷層位置的巖體，其在巷道開挖后產(chǎn)生的位移就越大，當位移達到一定程度時，巖體就會因應變過大而喪失穩(wěn)定。

圖3 深埋巷道向斷層掘進過程中圍巖的位移變化曲線Fig.3 Displacement curves of surrounding rocks during the process of deep-buried roadway through a fault

由圖3（b）可以看出，隨著巷道的向前推進，巷道兩幫巖體的水平位移將逐漸增大且增大速率越來越快；同時受斷層傾向的影響，巷道左右兩幫巖體水平位移分布表現(xiàn)出非對稱性，巷道左幫巖體的水平位移增長幅度要明顯大于右?guī)?。當巷道掘進面與斷層間距小于15 m 時，隨著巷道的向前掘進，巷道左幫位于斷層后方12～21 m 以及右?guī)臀挥跀鄬雍蠓?～15 m 間的巖體水平位移將急劇增大，其單進尺最大增長幅度分別為1 200、220 mm，說明這2 處位置巖體最容易在巷道后續(xù)掘進過程中失穩(wěn)。

由圖3（c）可知，隨著深埋巷道掘進面逐漸向高水壓斷層靠近，巷道掘進面法向位移將逐漸增大，且增大幅度在掘進面與斷層間距小于21 m 后愈加明顯。當掘進面與斷層間距由21 m 減小至18 m 時，巷道掘進面法向位移將從215 mm 突增至576 mm，說明此時掘進面處巖體已處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，需采取措施進行處理以防止塌方。

綜上所述，當深埋巷道掘進面與高水壓斷層間距大于21 m 時，巷道頂?shù)装逡约皟蓭偷氖諗课灰品謩e為240、260 mm；但當深埋巷道掘進面與高水壓斷層間距小于21 m 時，巷道頂?shù)装?、兩幫以及掘進面收斂位移則分別會達到560、750、570 mm 以上，嚴重影響巷道正常使用，甚至誘發(fā)冒頂、片幫或塌方事故。因此，為保證深埋巷道掘進安全，需至少在巷道掘進面與高水壓斷層間預留21 m 以上的巖體厚度，并對巷道前方巖體采取加固措施。

3.2 破壞特征

深埋巷道逐漸往高水壓斷層方向掘進時，無支護條件下深埋巷道圍巖的塑性區(qū)深度分布如圖4。

圖4 深埋巷道向斷層掘進過程中圍巖塑性區(qū)深度分布曲線Fig.4 Depth distribution curves of surrounding rock plastic zone during the process of deep-buried roadway through a fault

當巷道掘進工作面與斷層間距大于21 m 時，巷道圍巖塑性區(qū)深度隨巷道向前掘進變化很小，其在巷道頂?shù)装?、兩幫以及掘進工作面前方位置分別為3.3、2.5、3.0 m。而當巷道掘進工作面與斷層間距小于21 m 時，隨著巷道的向前掘進，斷層附加水-巖應力對巷道影響越來越明顯，導致巷道四周圍巖塑性區(qū)深度大大增加，尤其是巷道頂板、左幫以及掘進面前方。當巷道掘進工作面與斷層間距為12 m 時，巷道圍巖在頂板、底板、左幫、右?guī)鸵约熬蜻M面前方的最大塑性區(qū)深度分別為8.7、4.2、6.3、4.8、5.8 m，并出現(xiàn)在斷層后方約9～15、15～27、9～18、6～21、6.2 m 的位置。此時深埋巷道頂板以及左幫巖體的塑性區(qū)將與高水壓斷層連通，這意味著，此時巷道與斷層之間將會產(chǎn)生導水裂隙通道，進而斷層中的高壓水將大量涌向巷道，誘發(fā)突水事故。

3.3 突水特征

深埋巷道向高水壓斷層方向掘進過程中圍巖的涌水量變化曲線如圖5。

圖5 深埋巷道向斷層掘進過程中圍巖涌水量變化曲線Fig.5 Variation curves of water inflow from surrounding rocks during the process of deep-buried roadway through a fault

當深埋巷道距斷層距離大于27 m 以上時，由于隔水層較厚，斷層內(nèi)高壓水向巷道的滲流速度相對緩慢，此時整個巷道內(nèi)涌水量要小于30 m3/h，巷道內(nèi)的排水設備能夠滿足正常排水的要求。隨著巷道掘進面逐漸向斷層靠近，巷道與斷層之間的巖體破壞范圍逐漸加大，其滲透路徑大大縮短而滲透率大大增加，導致斷層向巷道內(nèi)的涌水量呈指數(shù)式增大；當巷道掘進面距斷層距離等于18 m 時，巷道整體涌水量將達到360 m3/h 以上，此時巷道的水就很難及時排出，存在極大的淹井風險。從涌水量大小上看，巷道頂板、掘進工作面、左幫、底板以及右?guī)陀克糠謩e占了整個巷道涌水量的48%、29%、14%、5%、4%，可見，巷道頂板是斷層內(nèi)高壓水向巷道發(fā)生突水的主要部位，其次是掘進工作面和左幫。

無支護條件時深埋巷道不同推進距離下斷層周邊巖體的滲透系數(shù)變化圖如圖6。

當巷道掘進工作面距斷層距離為21 m 時，巷道頂?shù)装逡约皟蓭蛧鷰r的塑性屈服面積相對較小且其破壞程度相對較輕，此時，巷道圍巖滲透系數(shù)僅在頂?shù)装逡约皟蓭蜏\部約2 m 的區(qū)域提高了0.5～1.0 倍左右。隨著巷道掘進工作面向高水壓斷層的靠近，巷道掘進工作面附近圍巖的塑性區(qū)范圍將逐漸擴大并與斷層連通，同時其破壞程度亦趨嚴重（尤其是巷道頂板以及左幫），導致巷道頂板以及左幫塑性區(qū)范圍內(nèi)的巖體滲透系數(shù)大大增加，局部區(qū)域滲透系數(shù)增長可達20 倍以上，進而斷層內(nèi)高壓水向巷道內(nèi)發(fā)生涌水的速度也急劇變大。

4 深埋巷道過高水壓斷層支護對策

4.1 深埋巷道過高水壓斷層支護方案

由上述高水壓斷層影響下深埋巷道的變形破壞特征分析結果可知：①當巷道掘進面距斷層距離大于21 m 時，無支護下巷道圍巖收斂位移、塑性區(qū)以及涌水量雖然能大致保持穩(wěn)定，但其值仍偏大，而且當工作面回采時，受回采應力的影響，其值必然還將進一步增大而影響巷道使用；②當巷道掘進面距斷層距離小于21 m 時，隨著巷道的向前推進，巷道圍巖必然會發(fā)生失穩(wěn)以及突水事故。

因此，為保證運料巷能安全順利通過SF29斷層破碎帶，擬對該巷道采取以下工程支護措施：

1）超前預注漿。對掘進面前方50 m 進行超前探水工作，如鉆進過程中發(fā)現(xiàn)鉆孔出水，則立即執(zhí)行“見水即注”方針，漿液先稀后稠，注漿終壓為18 MPa。同時在巷道掘進至斷層30 m 時設置鉆場，對斷層破碎帶及其附近的含水巖層進行預注漿加固，預注漿范圍為巷道兩側18 m。

2）對常規(guī)斷面進行錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合支護。對遠離斷層25 m 的深埋巷道常規(guī)斷面采用錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合支護，運料巷支護結構示意圖如圖7。其中，頂板錨桿采用直徑22 mm，長度3.0 m，間排距0.7 m×0.8 m 的高強錨桿；頂板錨索采用桁架錨索與單體錨索交替聯(lián)合布置，桁架錨索采用直徑17.8 mm，總長9.5 m，錨固長度1.8 m，排距1.6 m，預緊力不低于140 kN 的高強預應力鋼絞線，單體錨索則采用直徑21.8 mm，總長8.8 m，錨固長度1.8 m，排距1.6 m，預緊力不低于140 kN 的高強預應力鋼絞線，單體錨索與桁架錨索采用桁架進行連接。幫部錨桿采用直徑18 mm，長度2.5 m，間排距0.7 m×0.8 m的猛螺紋鋼錨桿；幫錨索采用直徑17.8 mm，總長6.3 m，錨固長度1.8 m，排距1.6 m，預緊力不低于140 kN 的高強預應力鋼絞線；每排布置的2 根幫部錨索采用槽鋼進行連接。

圖7 運料巷支護結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of the supporting structure of haul road

3）對關鍵部位采用“工字鋼棚+噴漿”進行加強支護。對斷層破碎帶附近25 m 范圍內(nèi)的深埋巷道巖體除采用錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合支護外，再采用“工字鋼棚+噴漿”方式進行二次加強支護，其中，工字鋼型號為12#，噴漿材料為噴射混凝土，厚度為100 mm。

4.2 支護后深埋巷道開挖變形破壞特征

為研究“超前預注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護條件下高應力巷道的開挖變形破壞特征，在此前模擬基礎上對巷道不同位置進行相應的支護模擬。由此取得的不同支護結構的物理、力學參數(shù)見表3。

表3 不同支護結構的物理、力學參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of different supporting structures

此外，考慮注漿可以有效提高加固范圍內(nèi)巖體的力學強度，采用式（2）來計算注漿加固巖體的物理、力學參數(shù)。

式中：T0、Tr分別為加固前、后巖石的力學參數(shù)值；n 為巖石孔隙率；S 為漿液力學參數(shù)值。

采用“超前預注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護后，深埋巷道掘進通過高水壓斷層過程中圍巖位移變化曲線如圖8。

圖8 聯(lián)合支護后斷層附近巷道圍巖位移變化曲線Fig.8 Displacement curves of roadway surrounding rocks near the fault after combined supports

由圖8 可以看出，聯(lián)合支護后巷道頂?shù)装逡约皟蓭鸵廊粫跀鄬痈浇霈F(xiàn)最大的位移，但它們的值卻都能夠在巷道開挖過程中最終趨于穩(wěn)定。其中巷道頂?shù)装遄罱K收斂位移為80～90 mm，而兩幫收斂位移則為80～110 m，比無支護條件下至少減少了60%?？梢?，“超前預注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護能夠有效控制高水壓斷層附近巷道圍巖的變形。

采用“超前預注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護后，深埋巷道掘進通過高水壓斷層過程中圍巖塑性區(qū)深度變化曲線如圖9。

圖9 聯(lián)合支護后斷層附近巷道圍巖塑性區(qū)深度變化曲線Fig.9 Depth distribution curves for surrounding rock plastic zone of roadway near the fault after combined supports

由圖9 可以看出，聯(lián)合支護后巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)深度在斷層位置約為3.2 m，在其余位置則約為2.2 m；巷道兩幫塑性區(qū)深度在斷層位置約為1.8 m，在其余位置則約為1.3 m。相比無支護條件，巷道圍巖塑性區(qū)性深度減小了至少50%以上，這說明，聯(lián)合支護后斷層附近巷道圍巖承載能力以及受力條件得到了極大改善，其破壞范圍和破壞程度大大減小，圍巖穩(wěn)定性明顯增強。

采用“超前預注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護后，深埋巷道掘進通過高水壓斷層過程中圍巖涌水量變化曲線如圖10。

圖10 聯(lián)合支護后斷層附近巷道圍巖涌水量變化曲線Fig.10 Variation curves of water inflow from surrounding rocks of roadway near the fault after combined supports

由于超前預注漿封閉了巷道與斷層之間巖體以及斷層破碎帶本身的導水原生裂隙，使得巷道圍巖滲透系數(shù)大大降低，因此，相比于無支護條件，巷道圍巖涌水量也大大降低，當巷道掘進面距斷層30 m時，巷道圍巖涌水量為0.46 m3/h。隨著巷道向斷層方向的逐漸推進，由于巷道表面滲水面積逐漸擴大，同時巷道開挖導致淺部圍巖發(fā)生破壞，圍巖滲透系數(shù)又將有所提高。因此，掘進面距高水壓斷層越近，巷道涌水量增長幅度越大；隨著掘進面的逐漸遠離，巷道涌水量增長速率又逐漸減小，最終整個巷道涌水量將穩(wěn)定在16 m3/h 左右。由此可知，采用聯(lián)合支護也能夠有效防止深埋巷道過高水壓斷層時突水事故的發(fā)生。

5 結 論

1）當深埋巷道掘進面距高水壓斷層小于21 m，隨著巷道的向前掘進，無支護條件下巷道頂?shù)装濉蓭鸵约熬蜻M面位移將呈指數(shù)式增大，并且斷層后方12～21 m 的頂板以及左幫部位是巷道圍巖首先失穩(wěn)的區(qū)域。

2）深埋巷道掘進面距高水壓斷層間距為12 m時，無支護條件下巷道圍巖在頂板以及左幫的最大塑性區(qū)深度分別為8.7、6.3 m，此時，巷道頂板以及左幫巖體塑性區(qū)將與高斷層連通形成導水裂隙通道，誘發(fā)突水事故。

3）隨著巷道的向前推進，無支護條件下深埋巷道頂板、掘進面及左幫涌水量將分別占整個巷道涌水量的48%、29%、14%，說明巷道頂板是斷層內(nèi)高壓水向巷道發(fā)生突水的主要部位。

4）采用“超前預注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護后，高水壓斷層附近巷道圍巖的收斂位移、塑性區(qū)深度以及涌水量將分別被控制在110 mm、3.2 m 以及16 m3/h 以內(nèi)。