斷層附近半煤巖巷道圍巖控制技術實踐

賈世釗，權文斌

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

斷層是礦井生產過程中常見的不良地質現象，斷層的產生對礦井各個方面影響很大，比如巷道掘進、工作面回采，甚至井田的劃分[1-3]。斷層中存在著破碎帶，其組成成分由松散破碎巖石、泥巖等充填物組成，在物理力學特性上，該破碎帶與其兩側巖體具有顯著差異[4-7]，這也導致斷層附近煤巖體的初始應力場異于常規地應力場，易產生局部附加應力。因此，當巷道掘進在斷層附近時，采動應力演化與巷道圍巖變形破壞規律也會發生顯著改變，這會引起一些問題比如巷道支護結構失效、巷道失穩等。通過對圍繞斷層影響下巷道圍巖變形與破壞問題，從斷層的定性調查、預報以及斷層附近破碎圍巖穩定性分析等進行了大量研究，得出了很多有價值的結論，為能更好地研究斷層附近巷道支護打下了基礎[8-10]。但關于斷層附近半煤巖巷道圍巖控制技術還需要做大量的研究，為此，以黃陵一號煤礦斷層附近1007進風順槽非對稱變形特征為研究對象，分析斷層附近巷道應力及變形特征，以期針對性地提出該類巷道的支護方案，從而有效解決現場支護技術難題，并為類似條件的巷道支護提供借鑒。

1 工程背景

1.1 地質條件

陜西黃陵一號煤礦位于陜西省黃陵縣境內，地面標高+1 020～+1 296 m，地表出露地層以第4季(Q4)黃土層及松散體沉積物為主。該礦井主采2號煤，埋深316 m，平均厚度2.1 m，傾角1°～5°，屬于近水平煤層。1007進風順槽位于十盤區中部，沿2號煤層底板掘進，屬于半煤巖巷道，掘進長度2 811 m，掘進寬度4.8 m，掘進高度2.8 m。通過三維地震勘探表明，距離巷道50 m存在一條與其近似于平行的斷層，該斷層為正斷層，走向EW—NE—EW，傾向N，傾角70°～80°，落差3～10 m，區內的延展長度約5 212 m。巷道布置平面圖如圖1所示，巷道地質柱狀圖見表1。

圖1 1007進風順槽采掘工程平面

1.2 巷道圍巖變形特征

巷道掘進期間以及后期圍巖表現出明顯的非對稱變形特征。巷道圍巖穩定性較差，尤其是靠近斷層側上幫角較破碎，頂板出現不均勻沉降，斷層側下沉600～700 mm左右，明顯大于實體煤側上幫角；兩幫局部區域出現片幫現象，兩幫移近量200～350 mm，斷層側幫部變形大于實體煤側；底板相對穩定，變形量較小。巷道變形素描如圖2所示。

圖2 巷道變形素描

2 圍巖變形破壞分析

隨著計算機的發展和數值模擬軟件的日漸臻熟，數值模擬分析方法已成為解決采礦工程問題的主要研究手段之一，其中FLAC3D三維數值模擬軟件適用于分析特殊地質環境下工程煤巖體應力及變形特征。

2.1 計算模型

依據1007回采巷道地質條件，建立如圖3所示的數值模擬計算模型。模型大小為100 m×30 m×80 m，共生成66 443個節點，97 213個單元。模型側面限制水平移動，底面限制垂直位移，上表面為應力邊界，施加荷載6.65 MPa模擬上覆巖體自重，材料符合摩爾庫倫模型，模型中各巖層力學參數見表2。

表2 巖體物理力學參數

圖3 數值計算模型

2.2 數值模擬結果分析

巷道應力場分析：應力集中是巷道發生變形的力源，巷道圍巖塑性區分布特征和位移特征變化的本質都是該區域應力集中。圖4為巷道開挖后圍巖應力分布情況。由于受到F5斷層影響，斷層側巷道上幫角及兩幫附近形成應力集中區，采動應力集中區內應力峰值達到20 MPa，為原巖應力的2倍以上；采動巷道受集中應力影響，斷層側巷道上幫角出現大變形，擠壓應力全部作用到該支護結構上，易造成支護結構的偏載現象，進而引起巷道圍巖局部破壞和失穩。

圖4 巷道圍巖應力場云圖

巷道位移及塑性區分布特征：巷道開挖后，受集中應力影響，斷層側上肩角首先發生拉剪混合破壞，導致該部位圍巖向巷道臨空方向出現撓曲變形，且斷層滑移面的側向約束較低，致使斷層附近剪切破壞程度加劇(圖5)，斷層側肩角處巖體承載能力以及穩定性大幅降低，塑性區破壞向斷層幫部及肩角部位急劇擴展，斷層側破壞深度遠大于實體煤側，破壞區呈現明顯的非對稱特性；巷道極易出現由斷層側肩角關鍵部位的失穩，逐步發展為巷道的整體失穩。與此同時，直接頂巖層中含有大量的泥質成分，高應力場作用下，內部裂隙擴展匯集，引起破碎巖體沿破裂面張開、轉動、滑移等從而形成非連續的碎脹大變形，進而加劇巷道破壞與失穩。

圖5 巷道圍巖位移及塑性區分布特征

3 巷道支護方案及效果分析

針對1007進風順槽圍巖變形特征，基于數值模擬巷道圍巖應力與變形分析，在地質力學評估基礎上，采用工程類比及現場試驗等方法，綜合確定采用錨桿+錨索梁+塑鋼網聯合支護技術。

3.1 支護參數設計

頂錨桿采用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套使用200 mm×200 mm×12 mm鋼托板，頂錨桿間距800 mm，排距800 mm和1 200 mm交替支護，“六-六”矩形布置。幫錨桿間排距1 050 mm×1 000 mm，“三-三”矩形布置，副幫采用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套鋼托板尺寸為200 mm×200 mm×12 mm。主幫側采用φ20 mm×2 500 mm玻璃鋼錨桿，除使用配套托盤外每根錨桿另增加規格為350 mm×200 mm×50 mm木托板一塊，每根錨桿消耗3節MSK2335型樹脂；錨索梁采用T140型鋼帶加工，梁長4 400 mm，一梁四索，排距2 000 mm。錨索采用φ17.8mm×8 300 mm鋼絞線，錨深8 000 mm，每根錨索消耗3節MSK2370型樹脂。頂、幫網均采用塑鋼網，網孔55 mm×50 mm；頂錨網支護距工作面正頭不大于800 mm，幫錨網支護距工作面正頭不大于1 000 mm，錨索支護距臨時支護尾部不大于15 m。巷道支護方案設計如圖6所示。

圖6 巷道支護方案設計圖

3.2 應用效果

現場采用十字交叉法對巷道的變形進行監測，其監測結果如圖7所示。巷道頂底板移近量為245 mm左右，斷層側煤幫變形量為200 mm左右，實體側煤幫變形量為155 mm左右。雖然斷層側巷道幫部和頂板位移量仍大于實體煤幫位移，但整體變形值都在可控范圍內，且巷道掘出后25～30 d圍巖變形趨于穩定，因此該支護方案有效控制了巷道的非對稱變形，大幅度提升了巷道的穩定性。

圖7 巷道圍巖變形曲線

4 結論

(1)針對黃陵一礦半煤巖回采巷道，分析了斷層附近半煤巖回采巷道圍巖變形破壞特征，指出斷層附近的非對稱應力場、關鍵部位的剪切滑移破壞以及煤巖體碎脹變形是造成該類巷道非對稱變形和支護失效的主要原因。

(2)基于斷層附近半煤巖巷道數值模擬分析，根據地質條件、工程類比法和現場實踐等方法，綜合確定采用錨桿+錨索梁+塑鋼網聯合支護技術，巷道兩幫收斂量最大值為355 mm，頂底板移近量最大值為245 mm，監測后期變形趨于穩定，巷道變形量與非對稱變形得到有效控制，圍巖穩定性大幅提高。