伏岩煤业3202 上分层运输顺槽断层破碎带围岩控制技术

吉艳伟

（山西阳城阳泰集团伏岩煤业有限公司，山西 阳城 048105）

我国煤矿以井工开采为主，需要掘进大量的巷道，由于煤层赋存条件复杂，巷道掘进必不可少会遇到断层破碎带等地质构造。断层破碎带范围内，岩体原岩应力分布复杂，存在局部应力集中现象，受采掘活动影响断层易出现活化，应力环境进一步调整。由于断层是上下盘岩层出现剪切破坏形成的，该区域内岩体相对破碎，稳定性极差，同时断层附近富含裂隙、节理，在采掘活动中易出现透水、突水现象[1-3]。由于断层构造带应力环境复杂，围岩强度较低，导致巷道支护、维护困难[4-6]。本文以伏岩煤业3202 上分层运输顺槽揭露F1 和F2 断层为工程背景，通过提出断层破碎带围岩控制原则，从而开发断层破碎带围岩控制技术，可为类似地质条件矿井巷道支护设计提供指导，具有一定的研究意义。

1 工程概况

3202 上分层工作面位于二采区大巷西侧，南邻3201 采空区，北面为实体煤，东邻二采区大巷。工作面地面标高为+858～ +923 m，井下标高为+425～+465 m，走向长度为853 m，倾向长度为190 m。煤层平均厚度4.96 m，结构简单，煤层倾角1°～6°。基本顶为灰色细粒砂岩，厚度3.5 m，致密坚硬，成分以石英为主，分选性和磨圆度中等；直接顶为灰黑色粉砂质泥岩，厚度12.67 m，含植物化石；伪顶为黑色炭质泥岩，厚度0.19 m，不稳定，随采随落；直接底为黑色炭质泥岩，厚度0.61 m，见植物化石，煤纹，方解石细脉；基本底为黑色粉砂质泥岩，厚度4.52 m，植物化石丰实，含煤纹。地质资料显示， 3202 上分层运输顺槽掘进至664 m 和328 m 揭露断层F1 和F2。F1 和F2 断层均为正断层，其中F1 走向NE-SW，倾向NW，倾角75°，最大落差4 m，延伸长度260 m；F2 走向NE，倾向NW，倾角75°，最大落差4 m，延伸长度110 m。

2 断层破碎带围岩控制原则

断层构造带区域围岩应力环境复杂，强度较低，受采掘活动影响，巷道极易出现大变形现象，需采用特殊的控制技术。

（1）破碎围岩强度强化原则。断层构造带区域围岩强度较低，存在大量节理裂隙，自稳能力较差，采用注浆强化方式提高围岩强度，浆液渗透至岩层节理裂隙，促使岩体形成整体结构，充分改善围岩自身承载性能，为高预应力锚固结构提供良好的围岩条件。

（2）高预应力强主动支护原则。采用高强度、高刚度锚杆索及其组件，利用高预应力主动支护原则，促使巷道围岩形成一层主动承载结构，充分发挥围岩自身承载性能，同时采用金属网、钢筋梯子梁、W 钢带提高护表面积，在巷道围岩表面形成约束力，避免巷道表层岩体碎胀变形。

（3）围岩表层防风化原则。采用混凝土喷射技术在巷道表面喷射一层一定厚度同时具有一定强度的混凝土喷层结构，防止巷道表层岩体风化破坏，同时还可提高一定的柔性支护作用。

3 断层破碎带围岩控制技术

基于3202 上分层运输顺槽生产地质条件，结合断层破碎带围岩控制原则，提出断层破碎带围岩控制技术。巷道掘进宽度4.5 m，掘进高度3.2 m。巷道注浆支护断面和巷道高预应力强主动支护断面如图1、图2，具体技术和参数如下：

（1）破碎围岩强度强化支护。采用普通硅酸盐水泥浆液，水灰比1:1.5，注浆孔直径42 mm，长度4.0 m，注浆管采用PVC 管，管径为25 mm，长度为2.5 m，注浆管上设置若干出浆孔，注浆压力设计为2.0 MPa，间排距1.6 m×3.0 m。具体参数如图1。

（2）高预应力强主动支护。顶帮均采用锚网索支护，锚杆规格为Ф24 mm、L2.4 m 的高强锚杆，间排距800 mm×800 mm，锚杆采用14 mm 圆钢焊接的钢筋梯子梁连接，每根锚杆配套120 mm×120 mm×12 mm 的高强蝶形托盘，同时配套2 支树脂锚固剂，1 支Z2360，1 支K2360，保证锚固长度不低于1.2 m，锚杆预紧扭矩不低于300 N·m。采用锚索加强支护，顶板锚索为Ф21.6 mm、L7300 mm的钢绞线，间排距1600 mm×3000 mm，帮部锚索为Ф19.8 mm、L5300mm 的钢绞线，间排距1400 mm×3000 mm。锚索采用3 mm 厚的W 钢带连接，每根锚索配套300 mm×300 mm×14 mm 的高强蝶形托盘，同时配套4 支树脂锚固剂，1 支Z2360，3 支K2360，保证锚固长度不低于2.4 m，锚索张拉预紧力不低于45 MPa。顶帮均铺设10#钢筋编制的金属网，顶板金属网规格4400 mm×1200 mm，帮部金属网规格3000 mm×1200 mm。具体支护参数如图2。

图1 巷道注浆支护断面

图2 巷道高预应力强主动支护断面

（3）混凝土喷层支护。巷道表面喷射100 mm厚的混凝土喷层，用于防止浆液外漏和围岩表层防风化，混凝土强度设计为C20。

4 应用效果分析

将断层破碎带围岩控制技术用于3202 上分层运输顺槽揭露的F1 和F2 断层破碎带，同时监测巷道变形情况，监测结果如图3所示。巷道掘出50 d内，围岩变形速度较快，左帮平均变形速率1.46 mm/d，右帮平均变形速率1.71 mm/d，底板平均变形速率1.25 mm/d，顶板平均变形速率2.17 mm/d；巷道掘出50 d 后，巷道围岩变形速度大幅度减小，平均变形速度小于0.5 mm/d，巷道围岩趋于稳定后，左帮最大变形约86 mm，右帮最大变形约92 mm，顶板最大变形约116 mm，底板最大变形约70 mm。整体看，巷道顶板变形最大，底板变形最小，左帮和右帮变形量接近。综合来看，巷道变形均在允许范围内，变形后的巷道可满足服务需求，证明了断层破碎带围岩控制技术与参数的合理性和可靠性。

图3 巷道变形情况

5 结论

断层构造带应力环境复杂，围岩强度较低，导致巷道维护困难。以伏岩煤业3202 上分层运输顺槽揭露F1 和F2 断层为工程背景，提出了断层破碎带围岩控制原则，包括：破碎围岩强度强化原则、高预应力强主动支护原则、围岩表层防风化原则，开发了断层破碎带围岩控制技术，包括：破碎围岩强度强化支护、高预应力强主动支护、混凝土喷层支护。技术应用后，巷道变形均在允许范围内，且变形后的巷道尺寸可满足服务需求。