煤矿断层处巷道施工过程围岩变形控制措施

钟铨杰

摘要：依托某煤矿工程，对原有支护进行了优化，根据实际工程地质条件选定了“锚带网喷+中控注浆锚索”的支护优化措施。通过有限元数值模拟手段和实际工程监测，对支护优化效果进行了评价。结果表明：在高水平构造应力的作用下，巷道顶底板极易出现应力集中，导致破坏发生。为此对矿井巷道围岩控制时，应对水平应力的影响予以重视。支护优化后的围岩变形量显著降低，顶板最终变形量较原支护约降低了68.87%，两帮最终变形量较原支护约降低了56.56%，优化后的支护对围岩变形控制效果提升显著。优化后支护对围岩变形控制效果较好，围岩变形量随掘进时间的增加而持续增长，且在前期顶板和两帮变形量未出现明显差异。

关键词：围岩变形；断层；注浆锚索；巷道支护

0   引言

我国具有较为丰富的煤炭资源，但煤层开采由于其地质复杂性而存在较大的难度，因此许多研究人员对此进行了一系列研究。张宏等[1]依托实际工程项目，对浅埋深动压回采巷的水力压裂技术进行了研究。吴宏斌等[2]通过离散元手段，对动载作用下的巷道围岩稳定性进行了研究，揭示了巷道冲击破坏机制。屈花荣和赵腾飞[3]依托桑树坪煤矿，对注浆材料特性、预注浆施工方法和注浆效果进行了研究。刘波[4]通过数值模拟手段，基于东风煤矿项目，对倾斜多层煤采空区围岩变形特征进行了数值仿真研究。万峰等[5]提出了预应力连续性围岩控制技术，通过理论分析+数值模拟的手段，分析了不同预紧力作用下的预应力扩散规律，并将提出的方案进行了现场应用，取得了良好的效果。祁虎根和薛旭辉[6]考虑到了软弱围岩的影响，对软弱围岩地质条件下的巷道支护措施进行了优化，并进行了一系列现场试验。试验结果表明优化效果较好，巷道掘进效率提升了38%。

为研究煤矿断层处围岩控制的有效支护措施，本文依托某煤矿工程，对原有支护进行了优化，根据实际工程地质条件选定了“锚带网喷+中控注浆锚索”的支护优化措施。通过有限元数值模拟手段和实际工程监测，对支护优化效果进行了评价。

1   工程概况

某煤矿工程东西长度约为9km，南北宽度约为4km，面积29.8km2，设计产值为90万t/a，地质储存量为7850万t。根据相关地勘报告，矿区内共存在4条大褶曲构造，存在大于30m的落差正断层共13条和8个陷落柱，整体而言，矿区地质构造较为复杂。

主采煤层顶板主要为泥岩、砂质泥岩和细粒砂岩，主采2号煤层厚度为0.45～2.60m，结构相对简单，平均倾角为15°，为中厚煤层。图1展示了2408回采巷道与断层位置的情况，围岩的力学参数见表1。

2   原支护方案效果分析

回风巷道原有的支护方式选用锚索与锚杆结合的方式，其中，顶锚杆选用螺纹钢锚杆，型号为Φ20mm×2400mm，间排距设为750mm×700mm，每排设置6根，按矩形布置。

帮锚杆选用圆钢锚杆，型号为Φ16mm×2000mm，左帮布置3根，右帮布置4根，间排距设为900mm×700mm。锚索选用钢绞线，型号为Φ15mm×7000mm，设置铁板作为加强支护，直径为12mm，锚索间排距为2250mm×1400mm。支護布置如图2所示。

在回风巷变形较为严重的区段内，设置若干围岩变形观测点，间距为10m。监测结果显示，在巷道开挖后，围岩变形速率约为40mm/d，最大变形量约为1360mm。其中，巷道顶板岩石发生破碎，出现了网兜现象，甚至部分金属网破断掉落，对巷道的安全生产造成了严重影响。

3   围岩变形机理和控制措施

在试验区段内，通过现场钻孔等方式对巷道围岩内部进行了探究。结果显示，软岩段内由于受到断层影响，导致巷道围岩岩性降低且含有裂隙水，围岩破碎后，多为孔内含水的小块体。因此在后续的加固过程中，应考虑到对破碎区的加固。

设置了5个地应力测点，以判断断层带对围岩影响的方向性。其中，2个测点布置在南翼轨道巷煤顶底板岩层，3个测点布置在2408回风巷。表2为构造应力的测量结果。

从表2中可以看出，各测点垂直最大主应力和垂直最小主应力相差甚微，无明显的规律性。相比较而言，各测点水平最大主应力和最小主应力差异较大。2408回风巷与水平应力夹角接近90°，在高水平构造应力的作用下，巷道顶底板极易出现应力集中，导致破坏发生。综上所述，对该矿井巷道围岩控制时，应对水平应力的影响予以重视。

4   支护方案优化设计

根据工程地质条件和前人相关研究，选用“锚带网喷+中控注浆锚索”的支护方案进行优化。具体优化措施如下：

锚杆支护方面，在巷道顶板安装6根直径为22mm、长度为2.4m、800mm×800mm间排距的强预拉力锚杆，并配有4m长的M4型钢带。在巷道左下帮安装3根直径为20mm、长度为2.4m、800mm×800mm间排距的强预拉力锚杆，并配有2.2m长的M4型钢带。在巷道右上帮安装4根直径为20mm、长度为2.4m、800mm×800mm间排距的强预拉力锚杆，并配有2.8m长的M4型钢带。此外，金属网钢丝尺寸为4～6mm。安装完毕后，锚杆预紧力不小于70kN。

注浆锚索支护方面，巷道顶板采用五花型布置，锚索长度为7m，直径为24.6mm。巷道右上帮和左下帮分别布置2根、1根中空注浆锚索，间隔两排锚杆，锚索长度为6m，直径为24.6mm，且保证安装预紧力不小于70kN。

喷射混凝土方面，在巷道两帮喷射厚度为75mm的柔性混凝土，柔化剂选用钢纤维。此外，为了防止巷道风化，需根据实际现场情况，在巷道开掘后应通过柔性混凝土对围岩进行封闭处理。图3为巷道优化支护的设计方案。

5   数值模拟分析

进行巷道开挖数值仿真时，根据项目实际情况，模型煤层厚度设为2.2m，倾角为15°，巷道宽度设为4m，其中线高度为2.6m。模型尺寸为40m×30m，在上部施加5MPa荷载。边界条件方面，底部设为固定端，左右两侧均为法向约束，顶板为自由端。

岩层力学参数如表3所示。采用了两种模拟方案，一种是原支护方案，一种是中空注浆锚索联合优化支护方案。

数值模拟结果显示，采用原巷道支护方案情况下，巷道围岩变形量较大，左帮最大变形量为108mm，右帮最大变形量达到150mm，顶板最大变形量为128mm，底板最大变形量为116mm。相比而言，采用中空注浆锚索联合优化方案时，巷道左帮最大变形量为66mm，右帮最大变形量为64mm，巷道顶板最大变形量为48mm，底板最大变形量为82mm。

由此可见，采用选用“锚带网喷+中控注浆锚索”的支护方案对原支护进行优化后，围岩变形控制效果较为显著，有效控制了围岩变形破坏。

6   工程应用评价

为了进一步评价支护方案的优化效果，对巷道前后段分别进行了监测。巷道前段为原支护方案，巷道后段为“锚带网喷+中控注浆锚索”的支护方案，设置2个监测站进行监测，巷道前段监测站为测点1，巷道后段监测站为测点2。巷道表面位移随掘进时间的变化如图4所示。

从图4a中可以看出，原支护方案中巷道两帮变形量要明显大于顶板变形量。在掘进时间较短时，变形量随掘进时间的增加而增大，在30d左右开始达到稳定。从图4b中可以看出，在掘进时间较短时，巷道顶板和两帮变形较为接近，在40d后开始出现明显差异。随着掘进时间的增加，巷道顶板和两帮的变形量逐渐增大，但斜率缓慢降低。

两者相比，支护优化后的围岩变形量显著降低，顶板最终变形量较原支护约降低了68.87%，两帮最终变形量较原支护约降低了56.56%，优化后的支护对围岩变形控制效果显著。此外，由于优化后的支护对围岩变形控制效果较好，达到“临界变形”的速度较慢。围岩变形量随掘进时间的增加而持续增长，且在前期顶板和两帮变形量未出现明显差异。

7   结束语

为研究煤矿断层处围岩控制的有效支护措施，本文依托某煤矿工程，在原有支护的基础上进行优化，根据实际工程地质条件选定了“锚带网喷+中控注浆锚索”的支护优化措施。通过有限元数值模拟手段和实际工程监测，对支护优化效果进行了评价。得出主要结论如下：

巷道开挖后，围岩变形速率约为40mm/d，最大变形量约为1360mm。其中，巷道顶板岩石发生破碎，出现了网兜现象，甚至部分金属网破断掉落，对巷道的安全生产造成了严重影响。

在高水平构造应力的作用下，巷道顶底板极易出现应力集中，导致破坏发生。对矿井巷道围岩控制时应对水平应力的影响予以重视。

支护优化后的围岩变形量显著降低，顶板最终变形量较原支护约降低了68.87%，两帮最终变形量较原支护约降低了56.56%，优化后的支护对围岩变形控制效果显著。

优化后的支护对围岩变形控制效果较好，围岩变形量随掘进时间的增加而持续增长，且在前期顶板和两帮变形量未出现明显差异。

参考文献

[1] 张宏，程利兴，陈小绳，等.浅埋深动压回采巷道水力压裂技术研究与应用[J].中国矿业，2022，31（12）：102-107.

[2] 吴宏斌，刘阳，王桂峰，等.基于离散元的动载冲击地压巷道围岩稳定性分析[J].中国矿业，2022，31（6）：118-123.

[3] 屈花荣，赵腾飞.倾斜软煤层掘进揭煤围岩注浆加固技术研究[J].内蒙古煤炭经济，2022，358（17）：75-77.

[4] 刘波.倾斜多层煤采空区围岩变形特征数值模擬研究[J].煤炭技术，2022，41（3）：87-93.

[5] 万峰，汪占领，张洪清，等.预应力连续性围岩控制技术研究与应用[J].煤矿安全，2021，52（11）：104-109.

[6] 祁虎根，薛旭辉.软弱围岩回采巷道支护优化研究[J].山西焦煤科技，2017，41（6）：16-20.