辛置煤矿2-5591巷道过断层支护技术研究

杨 焱

（霍州煤电集团辛置煤矿,山西 霍州031412）

0 引言

对煤矿井下巷道围岩稳定性影响较大的地质构造之一便是断层[1]，断层的存在会改变巷道周边围岩的应力分布状况[2]，同时顶底板的围岩属性也可能发生变化[3-4]，给巷道的掘进以及支护带来极大挑战[5]。

辛置煤矿2-5591巷道在掘进过程中揭露F8断层，该断层走向为N67°W，倾向为NW，倾角处于30°～42°，落差达到了6m，属于逆断层。受断层影响，巷道顶板下沉明显，淋水现象严重，同时两帮出现了一定程度的片帮，工作人员的作业环境较差，生命安全得不到有效保障。因此探明巷道在断层破碎带中的破坏原因并对原支护方案进行相应优化，成为了当前矿井急需解决的首要任务。

1 工程概况

辛置煤矿2-559工作面主要对2#煤层进行回采，该工作面埋深达到了450m，地表主要为农田以及山丘沟壑。其中2-5591巷道服务于2-559工作面，主要用于进风、行人、运煤，该巷为矩形巷道，掘进总长度为1450m，在掘进期间揭露F8断层，断层与巷道间的位置关系如图1所示。

图1 断层与巷道间位置关系示意图

2-5591巷道净宽为4m，净高为3.5m，主要采用锚网梁联合支护方式对其进行支护。顶板每排布置4根锚杆，间排距为1000mm×1000mm，最外侧锚杆距离巷帮0.5m，锚杆型号为φ20×2200mm的左旋螺纹钢高强锚杆。顶板锚索采用φ17.8×6400mm的钢绞线，第一排在巷中布置一根，第二排在距巷中心左右两侧1200mm处分别布置一根，依次循环，排距为1000mm，帮部每排布置4根锚杆，间排距为800mm×1000mm，顶锚杆距离顶板550mm，巷道锚杆（索）进行布置时均垂直于巷道断面，图2为该巷的断面支护图。

图2 巷道断面支护图

2 现场及实验室测试

2.1 顶底板围岩物理力学参数测试

2-5591巷道受F8断层影响破坏严重，为了探究该巷的破坏原因，在位于F8断层破碎带中的巷道段打钻取芯（位置如图1所示），并将所取岩芯密封带回实验室对其物理力学参数以及矿物成份进行测试，其中顶底板各岩层的物理力学参数测试结果如表1所示。

表1 工作面顶底板围岩赋存情况及力学参数统计表

从表1中可以看出2-5591巷道的伪顶为0.3m厚的薄煤层，直接顶为2.4m厚的泥岩和5.5m厚的砂质泥岩，老顶为K8中砂岩，其中泥岩、砂质泥岩和2#煤层的抗压强度分别为17.7MPa、22.8MPa和10.6MPa，直接底为泥岩，该岩层的抗压强度仅为18.7MPa。

2.2 围岩矿物成份测试

矿物成份是决定岩层物理力学的根本因素，将所取岩芯带回实验后通过X射线衍射实验对其围岩组分进行了测试。测试结果显示所取岩样含有较多的伊利石、蒙脱石以及高岭石，伊利石和高岭石亲水性较强，遇水易膨胀、崩解，布置于F8断层破碎带中2-5591巷道顶板存在淋水的现象，加速了巷道顶板围岩的破坏。

2.3 瞬变电磁法物探

由于布置于F8断层破碎带中的2-5591巷道顶板存在着淋水现象，掌握该断层的富水性，对于如何控制巷道围岩具有重要意义。在2-5591巷道原取芯处布置测站并采用坑透以及瞬变电磁法对其富水性进行了测试，测试结果显示F8断层内部场强较小且不稳定，该断层存在着一定程度的富水性，但富水性整体偏弱，断层影响巷道的掘进距离约为85m。

2.4 地应力测试

在2-5591巷道原取芯处共布置了两个地应力测站，使用地应力解除法对其地应力大小以及分布状况进行了测试，测试结果如表2所示。

表2 地应力测试结果

由表2数据可知，两个测站所受的最大应力均为水平应力，分别达到了18.65MPa和18.49MPa，所对应的侧压系数分被达到了1.62和1.58，巷道受水平构造应力影响比较明显，这对锚杆、锚索的支护提出了较高要求。

3 巷道破坏特征及原因

未揭露断层时，2-5591巷道在原有的支护方式下围岩稳定性较好，当巷道揭露F8断层时，该巷的围岩不稳定并发生破坏，其破坏特征如下：

1）巷道顶板下沉明显，同时淋水现象严重，局部地区的锚杆、锚索出现了剪断。

2）巷道围岩中的泥化物质在矿井水的作用下发生了膨胀、崩解以及软化，加速了巷道围岩的破坏。

3）巷道帮部发生了严重的片帮，特别是巷道两帮的肩角处。

根据巷道的破坏特征以及现场、实验室的测试结果，将破坏原因归结为如下几点：

1）2-5591巷道的直接底和直接顶抗压强度偏低，且围岩内部含有较多的亲水性矿物，在顶板淋水的情况下，巷道围岩易吸水软化。

2）位于F8断层破碎带中的巷道段承受的最大应力为水平应力，而该巷原有支护强度偏低，对巷道围岩的控制效果较差。

3）巷帮局部地段为煤层且强度偏低，对顶板上覆岩层的承载能力有限，在较大的支撑压力下易发生片帮。

4 支护方案优化

根据现场和试验室测试所得的数据，以及巷道变形破坏原因分析结果，对接下来的过断层破碎带段巷道采取以下治理措施。

1）在原支护方案的基础上对帮部锚杆进行更换，改用φ22×2500mm的左旋螺纹钢高强锚杆。由于直接顶整体强度较低且易吸水软化，故需要对其采取注浆措施，以补强顶板浅层围岩，因此顶板锚杆改用为注浆锚杆，直径为30mm，长度为2500mm，注浆材料选用425#普通硅酸盐水泥，考虑到结石体的强度、浆液的凝结时间以及可泵程度，将水灰比设为0.6:1，由于直接顶强度偏低，故注浆压力不宜过大，可将其设为2.8MPa。顶板和帮部锚杆的间距不变，排距缩减至900mm。顶板锚索在原方案的支护基础上采用φ21.6×7000mm的预应力钢绞线，排距缩减至900mm。

2）为了将顶板深部的水引流到巷道底板水沟，在巷道顶板距左右两帮1m处分别布置一根直径为35mm，长度为8000mm的导水管，导水钻孔均垂直于巷道顶板施工。

支护方案优化后的巷道断面支护如图3所示：

图3 优化后的巷道断面支护图

5 工程监测

支护优化方案实施后，在2-5591巷道中选取合适的位置布置测站（如图1）并对其围岩变形进行了为期一个月的现场监测，巷道围岩变形随监测时间的变化曲线如图4所示。

从图4中可以看出在对巷道进行治理前，两帮移近量达到了227mm，顶底板收敛量达到了327mm，巷道围岩破坏严重，在对其进行治理后两帮移近量、顶底板收敛量分别下降至37mm和56mm，巷道围岩稳定性显著提高。

图4 巷道围岩变形随监测时间的变化曲线

6 结论

1）F8断层富水性较弱，2-5591巷道揭露F8断层时，受水平构造应力明显，直接顶、直接底以及帮部围岩强度偏低，由于其顶板存在淋水现象，巷道围岩易吸水软化，加之该巷支护强度不足，在上述因素的共同作用下围岩变形严重。

2）针对巷道变形破坏的原因，本文针对性的提出加大支护强度+顶板注浆+预埋导水管的治理措施对该巷进行治理，工程监测结果显示在该治理措施治理下巷道围岩稳定性得到了大幅提高。