半煤岩巷过断层安全技术研究

姬国祥

（山西汾西正佳煤业有限责任公司，山西 隰县 041300）

1 工程概况

正佳煤业1203 工作面位于矿井一采区一水平，主要开采2 号煤层，煤层厚度0.9～2.09 m，平均厚度1.41 m。东面为相邻的已回采结束的1201 工作面及小窑采空区，西面无采掘工作面，南面相邻运输上山，北面相邻为联盛赵家沟煤业。1203 运输顺槽地面标高为+1347～1500 m，主要担负工作面煤炭运输、进风、铺设防尘管路、供水管路等任务。巷道直接顶板为砂砾岩，平均厚度为7.04 m，直接底板为砂质泥岩，平均厚度为1.63 m。1203 运输顺槽净宽4.0 m、净高2.5 m，断面设计为矩形，净断面积10 m2。在巷道沿2 号煤层底板掘进的时候揭露2条连续正断层DF11、DF6，断层产状示意如图1，其中DF11 断层倾角为46°，落差1.2 m，DF6 断层倾角为56°，落差3.5 m。

1203 运输顺槽掘进在煤岩体交界处，属于半煤岩巷，巷道整体完整性面临严峻考验。开采的2 号煤层煤质较软，遇到断层等地质构造带时，巷道围岩会出现大面积破碎乃至坍塌，给工作面正常生产活动带来巨大影响，需要对1203 半煤岩巷过断层安全技术进行研究，达到控制巷道稳定性保证工作面安全高效生产的要求。

图1 1203 运输顺槽揭露断层产状

2 1203 巷道过断层稳定性分析

（1）断层附近力学分析

正断层在运动时，上部下沉、下部上升，如图2，其中σ1为垂直主应力，σ3为水平应力，σ 和τ 分别为最大主应力作用于断层面的正应力和切应力，α 为正断层倾角。在1203 运输顺槽尚未掘进至断层破碎带时，断层上下盘之间的应力分布相对稳定，数值大小也都在可控的范围之内。1203 巷道掘进至断层影响带附近时，地应力和掘进活动压力开始沿断层面集中释放，掘进过程中产生的σ 正应力作用在上盘，并反复挤压影响下盘运动，断层面受到高应力作用，τ 切应力不断摩擦使得接触位置围岩破碎状态愈加发育，断层不稳定性增强，巷道整体维护状态较差。巷道的冒顶和底鼓现象一般由水平应力引起，正断层时巷道的水平主应力小于垂直应力，容易在巷帮两侧出现应力集中，给巷道维护带来不利影响。

图2 正断层力学分析

（2）断层附近顶板围岩裂隙发育特征

采用TYGD10 钻孔探测仪对1203 运输顺槽在断层影响带附近顶板进行围岩裂隙发育监测，测站布置3 个直径32 mm、深度8000 mm 的钻孔，监测结果如图3。1203 运输顺槽顶板1.0 m 范围内横纵裂隙不等间距出现且逐渐变为破碎带，发育程度较高。裂隙不断向深部延展，主要表现为横向发育，并伴随有离层现象出现，原生破碎带有所缩减。

图3 1203 运输顺槽围岩裂隙发育结果

1203 巷道在掘进至断层带附近时，受地应力和构造应力双重影响，顶板一定范围内出现大量横纵裂隙集中发育情况，同时还会出现破碎带现象。由于1203 巷道属于半煤岩性质，整体维护状态较差，需要从巷道掘进过断层整个过程采取稳定性控制技术来保证1203 运输顺槽稳定。

3 1203 巷道过断层控制技术

3.1 过断层方式

1203 运输顺槽向前掘进过程中，为避免断层破碎带应力集中影响巷道维护，选择合理的过断层方式可以避免巷道接触面积过大的断层破碎带，有利于后续巷道稳定性维护。如图4，1203 运输顺槽存在挖底、挑顶、煤层中3 种选择方式，根据断层破碎带分析，挖底式巷道经过的破碎区要远小于挑顶式，且不容易出现冒顶区，挖底下盘减缓了断层整体动载破坏，有利于集中应力均匀释放，综合分析1203 巷道过断层采用挖底式掘进法。

图4 1203 运输顺槽过断层方式示意

3.2 过断层带巷道支护方式

针对1203 运输顺槽过断层破碎围岩的特点，必须采用主动支护的方式使得围岩完整性得到保持。

顶锚杆、锚索：顶板采用Φ22 mm×2400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆矩形布置，间排距为1000 mm×1000 mm，每根配套一支CK2355 型锚固剂、一支K2355 型锚固剂和配套的可调心拱形高强度托盘配减摩擦垫片，承载能力不低于250 kN，顶上两角锚杆钻眼方向与水平呈75°角钻进，其他顶锚杆垂直于顶板平面布置。施工时贴顶铺设1200 mm×4500 mm 的六边形金属网。锚索布置：锚索采用Φ21.6 mm×6300 mm 的钢绞线，配套拱形高强度锚索托盘及锁具，承载力不低于700 kN。每根锚索配套一支CK2355 型、两支K2355 型锚固剂。锚索与巷道垂直布置，紧跟工作面迎头进行支护，不准滞后，间排距为2000 mm×3000 mm。

帮锚杆：两帮采用Φ22 mm×2400 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每根锚杆配套1 支CK2355、一支K2355 型锚固剂和配套的可调心拱形高强度托盘配减摩擦垫片，承载能力不低于250 kN；两帮锚杆每排各打3 根，矩形布置，间排距为1000 mm×1000 mm，帮锚杆紧跟工作面进行，围岩破碎时，应适当缩小间排距。

W 钢带：顶锚杆配合W 钢带，厚度4.5 mm，4200 mm×200 mm，5 眼规格。帮锚杆配合W 钢带，厚度4.5 mm，400 mm×200 mm。

顶帮锚杆扭矩不小于300 N·m，锚索预紧力不小于200 kN。巷道支护断面图如图5。

图5 巷道支护断面图

3.3 过断层围岩控制效果分析

利用JSS30A 监测仪对围岩的两帮移近量和顶板下沉量及底板鼓起进行监测，采用KJ616 锚杆锚索应力在线监测系统监测巷道锚杆索过断层期间的受力活动。测站布置在断层破碎带内的1203 巷道内，监测周期为100 d，监测结果如图6。1203 巷道在过断层带掘进之后，围岩变形经历了剧烈变形、缓慢变形和稳定保持三个阶段，两帮移近量为85 mm，顶底板移近量为55 mm，稳定时间占监测时间的3/5 以上，围岩变形控制效果好；巷道顶板中部锚杆受力最大，顶角锚杆受力最小，锚杆受力仅在巷道成型时有剧烈上升状态，之后一直保持稳定，巷道继续服务的整体性保证较好。

图6 1203 巷道控制效果曲线

4 结论

巷道过断层破碎带会受到地应力和构造应力的叠加影响，导致顶板出现横纵裂隙集中发育区域，采用挖底过断层方式和锚杆索联合支护控制方式能够有效减弱断层破碎带对巷道稳定性的影响。工程实践表明，1203 运输顺槽巷道两帮变形量稳定在85 mm，顶底板变形量稳定在55 mm，锚杆受力均匀稳定，运输顺槽整体控制效果较明显，能够满足1203 工作面安全生产要求。