近断层巷道开挖稳定性分析与支护技术

2021-02-05史红邈

煤矿安全 2021年1期

史红邈

（潞安化工集团有限公司王庄煤矿，山西长治046031）

伴随着我国矿井建设的不断发展，巷道开挖遭遇断层破碎带的工程实例越来越多。由于断层破碎带一般具有强度低、富水性强、透水性大等特点，并与其前后方岩体存在着显著的物理力学性质差异。因此，当巷道穿越断层破碎带时，巷道周边围岩应力场、变形场以及渗流场的变化特征十分复杂，导致巷道突水、坍塌、支护结构失效等问题时有发生，严重制约了煤炭资源的安全高效开采[1-3]。

21 世纪以前，由于巷道掘进技术以及相关理论知识水平相对落后，巷道在施工遭遇断层时往往会发生严重的突水和支护失效事故，这阶段的近断层巷道稳定性相关研究主要集中在施工支护技术的总结实践方面[4-6]。而进入21 世纪以后，物理模型试验、地球物理监测以及计算机科学技术在煤炭开采行业开始高速发展和应用[7-9]，这一时期许多学者对不同断层破碎带条件下的岩层防突厚度[10-12]、近断层巷道的围岩变形破坏特征[13-15]以及断层围岩安全施工技术[16-18]展开了大量的研究，取得了许多丰硕的成果。然而，这些研究成果却很少综合考虑巷道围岩稳定性在断层前后的变化发展规律，以及不同支护方式对近断层巷道围岩变形破坏特征的影响，导致巷道穿越破碎带支护成本依旧过高。

以安里煤矿回风大巷为依托，采用FLAC3D对其FD49断层破碎带前后方围岩的应力场、变形场、渗流场以及塑性区进行了系统的分析，并研究了锚杆排间距以及注浆加固范围对巷道围岩变形破坏特征的影响；从而针对不同的围岩地质段，提出了不同的支护加固方法，确保了工程的安全，可为今后类似相关工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

安里煤矿回风大巷埋深为500 m，设计长度约1 248 m，断面形状为直墙半圆拱形，其中巷宽4.8 m，墙高1.4 m。根据勘察报告，回风大巷施工至493 m 时将揭露FD49断层破碎带（倾向135°、倾角66°、宽度6.0 m、上下盘落差20 m、水压2.0 MPa），巷道过断层破碎带断面图如图1。断层上盘岩性以中砂岩、砂质泥岩为主，岩层较为稳定；下盘以泥岩、煤岩、细砂岩为主，岩层稳定性较差；断层内填充物则为碎屑状泥煤岩，稳定性极差；各层岩石的物理力学参数见表1。

图1 巷道过断层破碎带断面图Fig.1 Section view of roadway passing through fault fracture zone

2 数值模拟模型与方案

2.1 数值模型

根据上述工程情况，采用FLAC3D建立近断层巷道开挖施工三维数值模拟模型（图2）。模型宽度30 m、高度30 m、长度65 m，共包含410 168 个节点和396 552 个单元。模型边界条件设置为顶面施加竖向压力12 MPa，底面以及四周施加法向约束，破碎带顶部施加水压2.0 MPa。模拟巷道开挖施工时，每步进尺为3 m，在设置当前进尺水压为0 的条件下打开渗流分析模式进行流固耦合分析。

表1 近断层巷道周边岩石的物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rocks near fault roadway

图2 近断层巷道开挖数值模拟模型Fig.2 Numerical simulation model of roadway excavation near fault

2.2 数值模拟方案

为研究近断层巷道开挖变形破坏特征以及支护措施，设计了以下几个数值模拟方案。

1）方案1：直接开挖。对巷道不进行任何支护，对破碎带不进行任何处理。

2）方案2：疏水开挖。对巷道不进行任何支护，但对破碎带进行疏水处理。

3）方案3：疏水后锚喷支护开挖。对巷道中砂岩段进行喷射混凝土支护；对巷道破碎带段进行疏水以及锚喷支护；对巷道泥岩段进行锚喷支护；模拟锚杆间距分别为1.6、1.2、0.8、0.4 m。

4）方案4：疏水加固后锚喷支护开挖。对巷道中砂岩段进行喷射混凝土支护；对巷道破碎带段进行疏水注浆加固以及锚喷支护；对巷道泥岩段进行锚喷支护；模拟注浆加固范围分别为1、3、5、7 m。

2.3 本构模型及计算参数

为准确反应巷道周边岩体的物理力学特征，在表1 数据基础上，参考郑颖人、经纬等人[19-20]的研究成果，采用应变软化模型来模拟断层周边围岩；并在保持围岩内摩擦角和抗拉强度始终不变的条件下，取围岩峰后的残余内聚力为峰值前的35%。

此外，考虑注浆浆液主要是填充岩体内部的孔隙，则可以根据破碎带的孔隙率、破碎带围岩参数以及浆液凝固参数，采用线性插入法计算得到注浆范围内岩体的各个力学参数。

式中：k′为断层破碎带加固后的参数值；k0为断层破碎带加固前的参数值；n 为注浆破碎带的孔隙率；k1为注浆浆液凝固后的参数值；η 为注浆填充孔隙的比率。

断层破碎带在加固前的弹性模量为0.55 GPa，孔隙率为0.4，注浆浆液填充破碎带孔隙率为90%，浆液凝固后弹性模量为5.0 GPa；则加固后破碎带弹性模量为2.13 GPa。

3 无支护条件下近断层巷道开挖变形破坏规律

3.1 断层破碎带不进行疏水降压

3.1.1 巷道周边围岩应力分析

方案1 计算条件下，开挖面前方岩体竖向应力随开挖面距断层破碎带距离L（图1）的变化曲线如图3。

图3 开挖面前方岩体竖向支撑应力分布图Fig.3 Vertical support stress distribution of rock mass before excavation

由图3 可以看出，巷道开挖面前方岩体竖向应力由开挖面往深处，其值首先在开挖面处因应力卸载为0；然后在前方0.5 m 处出现最大峰值（约为18～20 MPa），随后往前5 m 后慢慢降落为原岩应力12 MPa；当围岩竖向应力传递至破碎带位置时，由于破碎带围岩早已发生屈服，其值迅速降落至8.0 MPa；当经过破碎带区域后，围岩竖向应力又迅速恢复至原岩应力。

此外还可知，随着开挖面逐渐向断层破碎带逐渐靠近，由于破碎带围岩较软，无法承担有效的荷载，导致巷道前方围岩竖向应力集中范围逐渐减小而峰值应力则逐渐增大，当开挖面距断层破碎带距离L=-6 m 时，巷道前方围岩竖向支承应力将达到19.1 MPa（应力集中系数为1.54）。从围岩弹性支承范围大小上看，巷道前方围岩应力总是在开挖面前方0.5 m 处出现最大值，这说明巷道开挖引起的前方围岩塑性区范围并不会因开挖面向断层破碎带靠近而引起突变，说明中砂岩对破碎带具有良好的保护和隔水作用，其防突厚度可以相对较小。

3.1.2 巷道周边围岩位移分析

随着巷道的向前开挖，巷道当前进尺内岩体的最大位移变化曲线如图4。

图4 开挖面距断层不同距离下巷道岩体的最大位移曲线Fig.4 The maximum displacement curves of roadway rock mass at different distances from excavation face to fault

当开挖面距断层距离大于9 m 时，断层破碎带对当前开挖范围内围岩的位移影响基本很小，此时，巷道拱底、底板、侧墙以及开挖面的最大位移分别稳定在10.4、13.5、5.5、4.0 mm。其后，随着开挖面的向前推进，由于受断层倾向以及走向的影响，巷道前方以及右侧方岩体的竖向支承应力将逐渐增大，同时断层水对巷道右侧以及前方岩体的挤压作用也越明显，导致巷道周边岩体最大位移在拱顶、右墙以及开挖面处迅速增大，而在左墙以及底板处则基本保持不变。当开挖面距断层距离等于3 m 时，巷道拱顶、右墙以及开挖面岩体的最大位移分别比之前增大了40%、80%、200%；这意味着，可通过监测巷道周边岩体位移的变化规律来判断巷道前方是否存在断层破碎带以及破碎带大致的产状。

但需要说明的是，当前开挖岩体主要为中砂岩，其力学强度高，因此，即使巷道围岩位移增大幅度比例较大，但其总体的增长幅值却相对较小，很容易引起工作者的忽视。这说明，当断层破碎带后方围岩为坚硬围岩时，断层破碎带的突水或失稳征兆将不是十分明显，导致开挖更容易直接揭露断层，发生突水坍塌事故。

3.1.3 巷道周边围岩水压分析

开挖面距断层不同距离下巷道开挖面岩体最大水压的变化曲线如图5。

图5 开挖面距断层不同距离下开挖面岩体的最大水压Fig.5 Maximum water pressure of excavated face rock mass at different distances from excavation face to fault

由于中砂岩具有较好的稳定性和隔水性，开挖对中砂岩裂隙扩展影响很小。因此，当开挖面距断层距离大于6 m 时，开挖面前方岩体裂隙并不会与断层破碎带相连形成导水通道，此时，开挖面岩体最大水压基本为0。而当开挖面距断层距离等于3 m时，在破碎带倾向分布规律的影响下，巷道开挖首先会在右下角揭露断层破碎带，导致巷道开挖面岩体水压迅速增大至0.9 MPa，发生突水事故。由此可知，巷道开挖断层破碎带后方坚硬岩层时，其突水往往具有突发性强、瞬时水量大等特点。

3.2 断层破碎带进行疏水降压

3.2.1 巷道周边围岩位移分析

由上述计算结果可知，开挖破碎带后方坚硬岩石易诱发突水，因此需要在开挖面与破碎带之间预留一定的防突岩层厚度后，再对破碎带进行疏水降压。方案2 计算条件下巷道周边岩体最大位移随开挖面推进的变化曲线如图6。

图6 无支护条件下巷道周边岩体的最大位移分布曲线Fig.6 The maximum displacement distribution curves of surrounding rock mass without support

由图6 可知，疏水降压后巷道周边围岩能够在开挖面推进至断层破碎带前始终保持稳定，即其最大位移始终小于30 mm。而当巷道开挖一旦穿过破碎带，巷道破碎带围岩将因缺少支护而导致径向位移迅速增大并不断增长（单进尺位移最大增长幅度可达400 mm），尤其是首先被揭露的底板和右墙位置。当巷道开挖进入泥岩地层并不断向前推进，远离破碎带区域的中砂岩位移基本保持不变；而破碎带围岩位移则继续增长，并带动附近的中砂岩和泥岩产生相应的径向位移。当巷道开挖面穿过破碎带24 m 后，破碎带区域围岩以及距开挖面较远处泥岩位移开始趋于稳定；此时，破碎带围岩拱顶、右墙、底板以及左墙最大径向位移分别达到554.3、752.9、210.2、409.1 mm；而泥岩段围岩拱顶、右墙、底板以及左墙最大径向位移则分别为75.2、75.1、33.9、80.0 mm。因此，为保证巷道安全，需要对巷道泥岩段进行锚喷支护；对巷道破碎带段进行疏水降压、注浆并锚喷支护；对巷道中砂岩段则只需进行喷射混凝土支护即可。

3.2.2 巷道周边围岩塑性区分析

无支护条件下巷道在不同地段的塑性区分布图如图7。

图7 无支护条件下不同地段巷道周边岩体塑性区分布图Fig.7 Plastic distribution of surrounding rock mass in different sections of roadway without support

由图7 可知，巷道开挖后，巷道在中砂岩段的破坏范围主要集中在巷道两帮浅部位置，其破坏深度约为1.2 m，破坏高度约为3.6 m；巷道在破碎带地段的破坏范围主要集中在巷道拱顶两侧斜45°方向以下的所有区域，其在两帮以及底板的破坏深度高达10 m 以上；巷道在泥岩段的破坏范围则主要分布在巷道两帮浅部位置，其破坏深度约2.4 m，破坏高度约9.4 m。根据巷道在各个地段的破坏范围可知，对巷道泥岩段应进行锚喷支护以加强巷道浅部围岩的“组合拱”作用，而且锚杆长度不应小于2.4 m；对巷道破碎带段除了进行锚喷支护外，还应进行注浆处理，提高破碎带自身的力学性质。

4 巷道过破碎带以及软岩段支护技术

4.1 软岩段锚杆排间距

当喷射混凝土厚度为120 mm、锚杆长度为2.4 m 时，不同排间距下巷道泥岩的位移以及塑性区分布图如图8 和图9。

图8 不同锚杆间距下巷道在软岩段的最大位移Fig.8 The maximum displacement of roadway under different bolt spacing in soft rock segment

对比图6 可以看出，当锚杆排间距设置为1.6 m 时，巷道泥岩在拱顶、底板以及侧墙的径向最大位移与无支护条件下对比分别减小44%、19%以及75%；而破坏深度以及破坏高度则分别减小50%和33%；可见，锚喷支护对限制软岩变形破坏能够起到良好的效果。随着锚杆排间距的减小，巷道泥岩径向位移以及破坏范围逐渐减小，而且减小的幅度越来越大；当锚杆排间距为0.4 m 时，巷道泥岩在拱顶、侧墙以及底板的最大径向位移约为18.1、6.4、22.0 mm，塑性区破坏范围则仅出现在巷道底部约1.2 m 的区域。但由于锚杆排间距的减小必然导致施工成本的急剧增加，应选择合理的排间距；由计算结果可知，当锚杆排间距为0.8 m 时，泥岩各处径向位移和塑性区范围就相对较小，能够满足施工以及使用的要求。

4.2 破碎带注浆范围确定

当破碎带采用锚喷支护后，不同注浆范围条件下巷道在破碎带段的最大径向位移大小如图10。

图9 不同锚杆排间距下巷道在软岩段的塑性区分布图Fig.9 Plastic layout of roadway under different bolt spacing in soft rock segment

图10 巷道破碎带岩体位移随注浆范围的变化曲线Fig.10 The variation curves of rock mass displacement in roadway fracture zone with grouting range

由图可知，如不对破碎带进行注浆加固（注浆加固范围为0），则锚杆支护很难以限制破碎带围岩的位移，此时，巷道破碎带围岩在锚喷支护后的位移仍可达680 mm。而进行注浆后，破碎带围岩就能在浅部区域形成1 个统一的整体，能够有效发挥组合拱作用，使得自身承载能力得到很大提高，其各处径向位移值迅速减小。注浆范围越大，破碎带浅部区域围岩承载性能就越好，相应的围岩位移也就越小；但当注浆范围达到一定程度时，浅部围岩承载能力就会趋于稳定，增大注浆加固范围对围岩位移影响很小。因此，建议本工程破碎带注浆加固范围应大于3 m，小于5 m。

巷道掘进完成后，破碎带注浆范围外的水压会逐渐回升，巷道破碎带岩体位移随回水水压的变化曲线如图11。当注浆加固范围小于3 m 时，破碎带内水压对巷道表面岩体位移影响很大，随着水压的升高，巷道岩体位移增长速率逐渐加快，水压达到3.0 MPa 时，巷道拱顶沉降量将比掘进完成时增大约35%。当注浆加固范围大于3 m 时，破碎带水压回升对巷道围岩位移影响相对很小，即使水压达到3.0 MPa，巷道拱顶沉降也仅比掘进完成时增大约8%。因此，为保证巷道的使用安全，破碎带的加固范围也应大于3 m。

图11 巷道破碎带岩体位移随回水水压的变化曲线Fig.11 The variation curves of rock mass displacement in roadway fracture zone with backwater pressure

4.3 注浆以及锚喷支护后近断层巷道开挖变形

巷道中砂岩段采用喷射混凝土支护，巷道断层段采用疏水降压+注浆+锚喷支护，巷道泥岩段采用锚喷支护后，巷道周边围岩位移随开挖面推进距离的变化曲线如图12。

由图12 可以看出，当巷道开挖推过断层破碎带后，中砂岩段岩体位移基本保持稳定，此时，巷道拱顶、底板以及侧墙最大位移分别为19.9、17.8、11.6 mm。当巷道开挖推过破碎带15m 后，巷道破碎带岩体以及远离开挖面（约12 m）的泥岩位移基本保持稳定；此时，破碎带岩体最大位移出现在拱顶位置，其值约为20.6 mm，泥岩段岩体的最大位移出现在拱顶以及底板位置，分别为27.2 mm 和23.5 mm。这说明，针对破碎带前后不同的围岩地段采用不同的支护方法，能够达到既经济又安全的目的，具有较大的工程应用价值。