近断层煤层巷道的差异化支护技术研究与应用

李海鹏

（山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西 宁武 036700）

1 概况

20203 运输顺槽位于南沟煤业井田东部，以南为2#煤层3 条开拓大巷，西侧为20203 回风顺槽，东侧为井田边界。20203 运输顺槽主要作用为20203工作面回采期间的运输、进风、行人及安全出口，设计长831 m，沿2#煤层底板掘进。20203 运输顺槽煤层总体走向为WE，倾向NS，倾角8°～10°，平均9°左右。顶底板岩层特征详见表1。根据20202 回风顺槽掘进期间所遇断层情况及地质资料分析，预测20203 运输顺槽一共7 条断层，均为正断层，断距为2～21 m。为保障巷道围岩稳定展开相关研究。

表1 顶底板岩层详情

2 近断层巷道保护煤柱宽度研究

20203 工作面东部紧邻F60 正断层，断层走向与巷道轴线方向基本相同，20203 工作面与F60 断层相对位置详见图1（a）。巷道与断层的间距将影响围岩稳定性，保护煤柱宽度过小时巷道围岩控制困难，保护煤柱宽度过大时将造成煤炭资源的浪费。为探究断层对于巷道围岩稳定性的具体影响，采用FLAC3D数值软件进行模拟分析[1-2]，模型尺寸长×宽×高=150 m×50 m×95 m。20203 运输顺槽位于断层上盘，F60 断层破碎带厚度3.0 m，落差为21 m，倾角为65°，2#煤层厚度为4.2 m，巷道沿煤层底板掘进，断面为宽×高=5.0 m×4.0 m。模型顶部埋深取400 m，施加10 MPa 垂直应力，设计巷道开挖位置分别与断层间煤柱宽度为5～30 m，每增大5 m 作为一个模拟方案，煤岩体符合摩尔库伦破坏准则。三维数值模型如图1（b）。

巷道在不同宽度断层保护煤柱条件下进行开挖，计算平衡后在模型X 轴方向中部取垂直截面，得到不同煤柱条件下围岩塑性破坏规律及表面变形量变化规律如图2。

图2 不同煤柱宽度条件下塑性破坏及位移量模拟结果

由图2 可以看出，断层保护煤柱为5～15 m 条件下，巷道两帮出现拉剪混合破坏区，实体煤帮破坏深度达到3.5～5.0 m，断层侧煤帮破坏深度达到5～10 m，并与断层破碎带连通，底板出现大范围的拉伸破坏，断层侧帮底角的剪切破坏深度尤其大，巷道表面变形主要表现为底板底鼓，围岩整体变形量维持在较高的水平。由此说明，断层保护煤柱宽度不应小于15 m。当煤柱宽度为20 m 时，两帮塑性破坏区基本呈对称分布，最大破坏深度为3.5 m，断层侧底角处狭长的带状塑性破坏区消失，巷道表面位移量也显著减小，说明此时断层对于围岩稳定性的影响显著减弱；当煤柱宽度继续增大至25 m、30 m，巷道围岩塑性破坏区基本完全呈对称分布，且表面变形量减小幅度微小，进一步说明当煤柱宽度为20 m 时，断层对于巷道围岩稳定性的影响相对已较小。综上所述，综合考虑巷道围岩稳定性及经济效益，确定20203 运输顺槽与F60 断层间煤柱宽度为20 m。

3 近断层巷道支护设计

3.1 支护设计

由于F60 断层走向并非直线，根据其走向发育情况与20203 运输顺槽间煤柱宽度的变化，将其分为4 个区段，区段Ⅰ、Ⅲ与断层间煤柱宽度大于等于20 m，区段Ⅱ、Ⅳ与断层间煤柱宽度小于20 m。结合前文数值模拟及分析研究成果，根据断层保护煤柱宽度不同采取分段支护的措施。Ⅰ、Ⅲ区段巷道受断层影响较小，采用传统的锚网索联合支护。结合围岩塑性破坏特征，底角围岩采用控让耦合支护[3-4]。Ⅰ、Ⅲ区段支护详情：顶板采用Ф22 mm×2400 mm 左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，帮部采用Ф22 mm×2400 mm 全螺纹等强锚杆，间排距为0.8 m，顶板每排7 根，两帮每排5 根，采用规格150 mm×150 mm×10 mm 的碟形托盘，每根锚杆采用S2360 和Z2850 树脂药卷各一支；顶板锚索规格为Ф17.8 mm×6300 mm，间排距2.4 m×0.8 m，“二一二”五花布置，采用S2360 型一支和Z2850 型两支锚固剂进行加长锚固，托盘规格300 mm×300 mm×16 mm。两帮底角处锚杆以较小角度向下打设，确保锚杆全部在煤帮中，起到一定让压效果，避免锚杆破断失效。在两排锚杆中部增设一根全螺纹等强锚杆，向下偏斜20°打设，锚固在底板岩层内，起到控制底角变形的作用。Ⅱ、Ⅳ区段巷道距离断层较近，为避免断层帮出现失稳破坏，在煤柱帮锚杆直接增设长锚索进行补强，锚索规格与顶板锚索相同，间排距为1.6 m×0.8 m，采用“迈步交错”布置方式。具体支护方式如图3。

图3 巷道支护示意图（mm）

3.2 支护效果模拟研究

采用FLAC3D数值软件模拟20203 运输顺槽开挖支护，Ⅰ、Ⅲ区段模拟断层保护煤柱为20 m，Ⅱ、Ⅳ区段模拟断层保护煤柱为15 m。观察支护后围岩塑性破坏及表面位移情况，整理得到图4、图5 所示结果。

图4 Ⅰ、Ⅲ区段支护后模拟结果

图5 Ⅱ、Ⅳ区段支护后模拟效果

根据图4 可知，20203 运输顺槽Ⅰ、Ⅲ区段支护后，围岩塑性破坏范围显著减小，底板破坏深度由支护前的3.5 m 减小为2 m，表面变形主要表现为底板底鼓，最大底鼓量由支护前的34.5 cm 减小为21.0 cm，表面整体变形量减小50%以上，说明围岩控制效果良好。同理，由图5 可知，Ⅱ、Ⅳ区段支护后，底角处于断层的塑性连接带消失，围岩塑性破坏范围显著减小，最大底鼓量由支护前的39.6 cm 减小为22.5 cm，围岩整体稳定，控制效果良好。

4 应用效果实测

20203 运输顺槽掘进期间采取分段支护方案。在工作面回采期间，采用手持式激光测距仪对巷道表面位移量进行监测，整理得到巷道表面变形量随时间的变化规律如图6。提前30 d 对巷道表面变形量进行监测，表面主要变形形式为煤柱帮内移和底板底鼓，直至工作面推进至测点位置附近，巷道煤柱帮内移量达到最大值为330～360 mm，底板底鼓量达到最大值为280～300 mm，实体煤帮内移量及顶板下沉量最大值为200～245 mm。巷道服务期间围岩整体稳定，支护效果良好。

图6 矿压监测结果

5 结论与建议

南沟煤业20203 运输顺槽紧邻F60 断层，为保障巷道围岩稳定性，通过数值模拟、矿压监测等方法，研究确定合理断层保护煤柱宽度为20 m。基于不同断层保护煤柱条件下巷道围岩破坏特征，将巷道分为Ⅰ、Ⅲ区段（煤柱≥20 m），Ⅱ、Ⅳ区段（煤柱≤20 m），Ⅰ、Ⅲ区段采用高强锚网索+底角控让耦合支护，Ⅱ、Ⅳ区段采用非对称、断层侧煤帮补强支护。数值模拟研究表明所设计的支护方案具有可行性。工程应用期间通过矿压监测表明，巷道围岩整体稳定性良好，能够满足工作面安全生产的服务需求。