象山煤矿21510回风巷过断层破碎带围岩控制技术

姚智康，鱼智元

(陕西陕煤韩城矿业有限公司象山矿井，陕西 渭南 715400)

0 引言

巷道掘进期间不可避免地要穿越断层等地质构造，严重制约了采掘工作面安全生产[1-3]。断层上下盘岩层相对位移导致其周围一定范围内煤岩层完整性降低、破碎程度增大、强度降低，导致煤岩体承载能力和稳定性严重降低[4-7]。受采掘扰动前，断层上下盘岩层虽存在应力集中但整体结构处于稳定状态；受采掘扰动后，断层附近围岩原本的平衡状态被打破，断层上下盘岩层应力集中程度显著增加，导致巷道过断层期间极易发生掉顶、底鼓和片帮现象[8-9]。

为确保掘进巷道安全、高效地穿过断层，提高巷道围岩稳定和支护效果，武云光[10]基于三交河煤矿1041巷过断层时巷道围岩变形特征，提出“注浆加固+锚杆索联合支护”的巷道过断层围岩控制方案。王立新[11]采用数值模拟和现场实测的方法，分析了8102-3工作面回采至断层破碎带时巷道围岩变形特征，提出了“注浆加固+优化支护”的围岩控制措施。张建超等[12]通过对上湾煤矿运输大巷过断层期间围岩应力和变形特征的分析，采用“密集锚索+反底拱全断面锚杆支护”技术确保了巷道围岩稳定。基于上述研究成果，以5301回风巷过断层破碎带为研究对象，采用FLAC3D数值模拟软件对比分析了巷道掘进正常段和过断层段的围岩应力和变形特征，提出“超前注浆+锚网索梁联合支护”的巷道过断层围岩控制技术，现场实测效果良好。

1 工程概况

21510工作面位于象山煤矿5号煤层南一采区，北为采区大巷，南为F26断层保护煤柱，南为井田边界，北为实体煤。工作面煤层埋深273.15～384.29 m，平均埋深328.72 m；煤层厚度2.85～4.32 m，平均厚度3.26 m；煤层倾角3°～6°，平均倾角4°；工作面煤层为单斜构造，内部节理、裂隙发育，赋存稳定。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况Table 1 Coal seam roof and floor conditions

21510回风巷沿5号煤层底板掘进，设计长度1 024.62 m，巷道采用矩形断面，断面尺寸为4 900 mm×2 800 mm(宽×高)。21510回风巷在掘进至326 m时揭露DF12正断层，根据地测资料知，DF12正断层，倾角36°，倾向285°，落差为8 m，断层对巷道影响范围约为58 m。21510回风巷过DF12断层剖面如图1所示。

图1 21510回风巷过DF12断层剖面示意Fig.1 Schematic diagram of the cross section of the 21510 return airway passing through the DF12 fault

2 巷道过断层破碎带围岩变形数值模拟分析

2.1 模型建立及模拟方案

根据21510回风巷生产地质资料，采用FLAC3D数值模拟软件建立尺寸为100 m×50 m×50 m(长×宽×高)的三维数值计算模型。模型左右界面限制X方向位移，前后界面限制Y方向位移，底部界面限制Z方向位移，顶部界面施加7.64 MPa的均布载荷等效上覆岩层重力(按照埋深328.72 m，上覆岩层平均容重23.25 kN/m3计算)。巷道中心线5 m附近网格大小为0.5 m×0.5 m×0.5 m，其余区域网格大小为1.0 m×1.0 m×1.0 m。采用莫尔-库伦屈服准则进行计算。断层及其上下盘围岩物理力学参数见表2。

表2 煤岩层及断层基本物理力学参数Table 2 Basic physical and mechanical parameters of coal strata and faults

为探究断层破碎带对掘进巷道围岩应力及变形影响特征，分别对巷道过断层掘进和无断层掘进2种方案进行模拟研究。巷道掘进过断层时采用强过断层的方式，即巷道掘进揭露断层前沿煤层底板掘进，在过断层期间采用留部分底煤并割顶的方式，由断层下盘前推至断层上盘，过断层后逐渐转向煤层底板掘进。

2.2 不同地质条件下巷道围岩垂直应力分布特征

巷道正常段掘进和过断层期间围岩垂直应力分布特征分别如图2(a)和图2(b)所示。由图2(a)可知，巷道在正常段掘进期间，随着掘进工作面推进，巷道顶板岩层压力向巷道周边围岩转移并在超前掘进工作面15m范围内形成应力集中区，导致超前应力产生。在巷道过断层破碎带时，受断层上下盘应力异常积聚的影响，巷道掘进工作面及断层侧均形成应力集中区，即巷道掘进所产生的扰动打破了断层破碎带内原本稳定的结构，导致断层活动增强，增大了掘进扰动应力场影响范围，为巷道围岩控制带来负面影响，如图2(b)所示。

图2 不同地质条件下掘进巷道围岩垂直应力分布Fig.2 Vertical stress distribution of surrounding rock of tunneling roadway under different geological conditions

2.3 不同地质条件下巷道围岩塑性区分布特征

巷道正常段掘进和过断层破碎带围岩塑性区分布特征分别如图3(a)和图3(b)所示。由图3(a)可知，巷道在正常段掘进时，塑性破坏区主要分布在巷道顶底板岩层及掘进迎头前方约5 m范围内，塑性破坏区分布范围较小。巷道过断层破碎带时，塑性破坏区分布范围较正常段掘进时显著增大，即塑性破坏区不仅在巷道顶底板岩层和掘进迎头前方有分布，且在掘进迎头先前延伸至断层另一侧，表明随着掘进工作面不断接近断层，巷道掘进所产生的扰动导致位于断层下盘巷道顶板岩层的垮落，断层上盘岩层受应力转移的影响发生塑性破坏，增加了巷道过断层期间围岩控制难度。

图3 不同地质条件下掘进巷道围岩塑性区分布Fig.3 Distribution of surrounding rock plastic zone of tunneling roadway under different geological conditions

3 过断层破碎带巷道围岩控制方案

3.1 超前注浆

根据地测资料知，DF12断层对21510回风巷影响范围约为52 m，故在巷道掘进至断层前后30 m范围内采用超前注浆的方式对巷道顶板围岩进行加固，具体措施为：在距巷道顶板300 mm处施工1排(3个)超前注浆钻孔，钻孔直径42 mm，仰角50°，孔深5 000 mm，孔间距2 000 mm。注浆钻孔终孔位于巷道基本顶岩层内。注浆材料选择P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8∶1，注浆压力为8 MPa，封孔长度为1 200 mm，注浆完成2 h后开始掘进巷道，向前掘进2 500 mm后进行下一循环注浆。

3.2 支护方案设计

根据工作面实际生产条件和巷道过断层期间围岩变形特征，提出采用“锚网索梁”联合支护方式对巷道围岩进行控制。同时考虑到巷道过断层破碎带期间，围岩导水裂隙发育，巷道顶板渗水严重，采用常规锚杆时极易因锈蚀而导致锚杆失效的情况，21510回风巷过断层期间顶板锚杆选用φ22 mm×2 400 mm镀锌锚杆，间排距为900 mm×900 mm，两侧锚杆距巷帮200 mm，仰角75°布置，中间3根锚杆垂直顶板布置。锚索采用φ22 mm×7 000 mm的高强度钢绞线锚索，间排距为2 000 mm×2 000 mm，并采用矿用工字钢梁进行补强。锚索托盘选用规格为300 mm×300 mm×16 mm的矩形碳素钢板托盘。巷道两帮锚杆均选用φ20 mm×2 000 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×900 mm，每排布置4根，上下2根锚杆分别距顶板和底板300 mm，所有帮锚杆均垂直于巷帮布置。顶锚杆和帮锚杆托盘分别选用规格为150 mm×150 mm×10 mm和100 mm×100 mm×10 mm的矩形335#钢托盘。21510回风巷过DF12断层破碎带期间支护断面如图4所示。

图4 巷道支护断面Fig.4 Roadway support section

4 巷道围岩控制效果评价

巷道顶板离层量和表面位移是定量表征围岩控制效果的关键参数。为评估21510回风巷过DF12断层破碎带时的围岩控制效果，在巷道过断层期间，分别在断层前、后和断层处布置1#、2#和3#测站，测站间距30 m，每个测站布置一台顶板离层观测仪和一台巷道围岩表面位移传感器。监测结果显示，2#测站顶板离层仪的读数最大，浅部基点读数为7.5 mm，深部基点读数为13.5 mm，表明巷道顶板离层得到有效控制。3个测站所观测到的巷道表面位移曲线变化趋势基本一致，但2#测站所观测数据峰值最大，2#测站所观测到的巷道表面位移如图5所示。由图5可知，在为期30 d的观测时间内，巷道左帮最大位移量为7.12 mm，右帮最大位移量为10.57 mm，顶板最大下沉量为18.78 mm，底鼓量最大值为1.41 mm，可见21510回风巷过DF12断层破碎带时采用“超前注浆+锚网索梁联合支护”对巷道围岩控制效果显著，确保了过断层巷道围岩稳定。

图5 断层处巷道围岩表面位移Fig.5 Surface displacement of surrounding rock of roadway at fault

5 结语

(1)基于21510回风巷的实际生产地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件研究了巷道掘进正常段和过断层破碎带时围岩应力和变形特征，结果表明，巷道正常段掘进时，超前集中压力分布范围为工作面前方15 m，塑性区主要分布在巷道顶底板和工作面前方5 m范围内；巷道过断层期间，巷道工作面及断层侧均形成应力集中区，塑性破坏区分布范围显著增大，且向工作面前方延伸至断层另一侧。

(2)结合21510回风巷过断层破碎带时围岩应力及变形特征研究成果，提出“超前注浆+锚网索梁联合支护”的巷道过断层围岩控制方案。现场应用结果表明，21510回风巷过DF12断层破碎带期间，巷道顶板浅部离层量为7.5 mm，深部离层量为13.5 mm，巷道左帮和右帮最大位移量分别为7.12 mm和10.57 mm，最大顶板下沉量和最大底鼓量分别为18.78 mm和1.41 mm，巷道围岩控制效果显著。