断层附近采区巷道预掘风桥围岩控制技术研究

张立军，马国伟

(1.西山煤电集团 斜沟矿，山西 吕梁 033000；2.陕西煤业化工技术研究院，陕西 西安 710000)

巷道是井工矿井生产活动的重要场所，一直以来在不同开采条件、地质环境下巷道的支护设计不断衍生出新的支护工艺理论与支护装备。高预应力支护体系、高强度锚杆(索)、高强度锚喷支护等为高产高效掘送巷道奠定了基础。围绕巷道的研究多是从矿山压力、围岩力学强度、采动扰动影响等角度出发，但是伴随着井工矿井采掘埋深、开采强度的增加，矿井采盘区巷道交叉错综复杂。此时，研究多条巷道交叉点处支护设计优化对巷道不同斜交延伸开凿方式、不同层间距过立交掘进支护技术分析具有重大意义。斜沟煤矿目前正在开采一水平11和二水平21采区，13采区作为准备采区正在建设中，考虑到目前使用无轨胶轮车进行辅助运输，对巷道坡度及运输距离有一定的要求，同时采区辅助运输上山巷道的布置直接影响保护煤柱留设范围及工作面的布置，从技术经济指标上也希望采区辅助运输上山与其他巷道出现交叉关系时能布置最优。因此，对13采区辅助运输上山巷道的布置设计技术研究对矿井后续采掘衔接具有重要的意义。

1 工作面概况

13采区位于井田南部，是矿井上水平8#煤层采区，南为矿界、北邻11采区、西邻+700 m水平3条大巷、东为矿界。8#煤开采标高为+705～+1 023 m，盖山厚度为50～380 m.本区走向长2 401.6 m，倾向长2 638.2～3 365.4 m，面积4.9 km2.8#煤层为全区稳定可采煤层，主煤层结构简单，煤层平均4.81 m，属中厚煤层，平均倾角9°.煤层顶板以泥岩、细粒砂岩或砂质泥岩为主。

在13采区带式输送机上山的掘进过程中，揭露SF57正断层，倾角55°～65°，落差0～3.7 m，断层位置关系见图1.煤层巷道底板依次为炭质泥岩和砂岩，顶板依次为泥岩和砂岩，围岩力学参数见表1.

表1 岩石力学参数表

图1 13采区盘区巷道局部布置图

考虑到辅运上山长期过往重型车辆，因此13采区辅助运输上山里程B4点向前308.43 m处，将从13采区带式输送机上山下方通过，预计立交工程后两巷层间距为0.3～0.964 m.为加快施工进度，计划提前施工13采区辅助运输上山与13采区带式输送机上山立交，并提出在立交施工处采取从13采区带式输送机上山由底板向下大揭盖炮掘的方式。辅运大巷与皮带大巷做立交设计，辅运大巷沿煤层底板布置，煤层倾角9°左右，两巷立交层间距1.8 m，立交附近有一个2.7 m落差的断层，在该构造附近皮带巷掘进期间巷道成型较差，帮部、顶板破碎较为严重，考虑到后期辅运大巷在皮带巷下方做立交，要确保大揭盖巷道成型的稳定性，采用了注浆锚杆索、预注浆加固等治理手段。预掘大揭盖立交示意图见图2.

图2 预掘大揭盖立交示意剖面图

2 断层附近大断面立交围岩控制分析

2.1 地应力分析

基于水力压裂对矿井上下两个水平8#、13#煤层进行地应力测试(表2)，为巷道支护设计、支护参数优化、支护设备、材料选型等提供科学依据。巷道过断层、陷落柱等地质构造区域水平、垂直应力集中强度和影响范围将放大。

表2 水力致裂地应力测试结果表

结果显示：8#煤层最大水平主应力、垂直应力，最小水平主应力分别为15.01 MPa、8.76 MPa、7.58 MPa.地应力强度判断标准：低应力区0～10 MPa；中等应力区10～18 MPa；高应力区18～30 MPa，超高应力区大于30 MPa.8#煤测试区域地应力场属于中等应力值区域。

2.2 断层围岩强度

研究地应力首先要考虑被测区域的地质环境情况，断层区域地应力集中强度、范围随着破碎带厚度、落差、倾角变化出现明显变化规律,与前两个要素成正相关，与后者成负相关。

现场通过钻孔窥视对断层带附近新开掘的巷道围岩内部进行了观察，新掘巷道变形严重段围岩受断层带影响，附近区域巷道围岩岩性较差、顶板各砂岩含水层裂隙水发育，围岩多数破碎成小块体状，且孔内围岩含水。巷道围岩内部在1～3 m较为破碎，4～5 m破碎较小但是也存在一定的裂隙。断层带附近巷道围岩控制应充分考虑对破碎区围岩的加固。

2.3 断层构造应力

结合该矿现场生产地质条件，采用数值模拟软件FLAC3D，分析临近断层构造应力条件下巷道变形机理，数值模拟分析结果见图3.

图3 构造应力影响巷道应力云图

巷道掘送距离断层0～10 m时，塑性破坏区范围大，围岩剪应力集中，围岩位移变形量大，巷道治理难度大，支护工程量大；10～20 m破坏区范围、集中程度明显降低；超过30 m后各项指标趋近于原岩应力水平。

靠近断层侧立交巷道围岩受剪应力集中影响显著，巷道两侧顶、帮变形量呈现非对称性规律，近断层顶、帮的塑性区深度分别为4 m、6 m.底板近断层底角范围较大，延伸至断层附近。为此，根据模拟分析结果以及现场工况，重点加强近断层侧围岩补强支护强度。

3 巷道深浅孔注浆加固技术研究

3.1 注浆加固机理

利用水泥、化学浆液对破碎失稳围岩进行注浆加固，其原理是利用浆液把围岩的各弱面充实，同时将弱面充填体与四周岩体重新胶结起来，将破碎岩体黏结形成条状网络骨架结构，从而使得破碎岩体重新成为具有较好弹粘性和黏结强度的均匀密实的岩体护。

3.2 注浆参数设计

由于断层附近围岩裂隙较多，为防止大断面巷道二次开挖围岩变形严重，故对原巷道、新掘巷道顶板、两帮打设注浆锚索加强支护。同时，为降低断层附近构造应力对巷道围岩稳定性影响，采用深浅孔注浆方式加固断层周围破碎围岩，降低构造应力强度和影响范围。根据探孔资料显示，立交施工段距离断层10～15 m.采用SCJG-3型双组份无机加固材料，该材料在破碎顶板的扩散范围为1～2 m.

采用深、浅孔注浆加固方案确保浆液纵深全覆盖破碎围岩区域。设计注浆钻孔d42 mm，钻孔深度6 m/20 m，排距为5 m.注浆管采用4′钢管，长度4 m/12 m，孔口处注浆管为实管，孔内注浆管为花管。封孔采用环向膨胀式封孔器实现孔内定位封孔。注浆锚索、深浅孔布置方式见图4,5.

图4 注浆锚索、注浆孔布置设计图

4 注浆效果分析

1)现场观察记录注浆情况：注浆钻孔周围6 m范围内锚杆、帮部围岩流挂浆液明显，破碎围岩包裹浆液充实均匀，注浆覆盖区域锚杆(索)充填浆料，形成全长锚固效果。

图5 注浆孔布置平面图

2)注浆完毕后，采用炮掘的方式从13采区带式输送机上山由底板向下大揭盖做立交。巷道煤帮平直、顶板围岩完好，掘进工作面经过注浆区域，未发生片帮、离层现象。与13采区带式输送机上山过断层片帮情况对比，大接盖立交段巷道围岩矿压显现较弱。

3)在断层附近预先采用深浅孔注浆后，基于钻孔窥视观测注浆加固结果,见图6.从图6中可以清晰地看到固化的水泥充填满大的裂隙，起到网络骨架的作用。

图6 注浆后钻孔窥视图

5 结 语

1)临近断层掘送立交大断面巷道，水平、垂直、剪切应力集中范围和强度明显增强，需要预先对断层构造应力进行控制，降低对巷道稳定性影响。

2)采用深、浅孔交错预先对临近断层破碎区域加固注浆，有效确保浆液全覆盖破碎围岩区域，提高围岩整体强度。注浆后地应力重新分布，对新掘送巷道围岩稳定性影响趋近于原岩应力。

3)注浆完毕后，炮掘立交大巷巷道煤帮平直、顶板围岩完好，掘进工作面经过注浆区域，未发生片帮、离层现象。