深部平行大斷層巷道變形機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究

李中偉，張　寧，白建民

(1.煤炭科學(xué)研究總院 北京開采研究院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；

3.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

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深部平行大斷層巷道變形機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究

李中偉1,2，張寧3，白建民3

(1.煤炭科學(xué)研究總院 北京開采研究院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；

3.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

[摘要]以某礦回采巷道為例，測(cè)試了斷層附近地應(yīng)力大小和方向，與不受斷層影響處測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，得出斷層對(duì)地應(yīng)力大小和方向影響顯著，分析了平行大斷層時(shí)深部巷道頂板下沉量小、兩幫移近量大進(jìn)而引起嚴(yán)重底鼓的變形特征，得出巷道圍巖應(yīng)力值相對(duì)圍巖強(qiáng)度大且初期支護(hù)強(qiáng)度較低的變形機(jī)理，提出“強(qiáng)幫快支”的巷道支護(hù)技術(shù)，把該技術(shù)成功應(yīng)用于井下，取得顯著支護(hù)效果，成功解決了該礦深部平行大斷層巷道支護(hù)難題。

[關(guān)鍵詞]深部巷道；平行大斷層；變形特征；變形機(jī)理；支護(hù)技術(shù)

[引用格式]李中偉，張寧，白建民.深部平行大斷層巷道變形機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究[J].煤礦開采，2015，20(6)：56-59.

我國(guó)煤礦開采深度不斷加大、地質(zhì)條件更加復(fù)雜、優(yōu)質(zhì)煤炭資源減少，出現(xiàn)了回采工作面不得不盡量靠近大斷層并與之平行布置而提高煤炭資源采出率的情況。斷層附近煤巖體的強(qiáng)度低、節(jié)理裂隙發(fā)育，其非均勻性、非連續(xù)性及各向異性也明顯地顯現(xiàn)出來(lái)，由此形成的圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。煤礦開采深度大、地應(yīng)力高使巷道變形機(jī)理復(fù)雜，維護(hù)困難。

目前針對(duì)深部巷道支護(hù)難題研究較多，而關(guān)于斷層附近特別是平行于斷層的巷道支護(hù)技術(shù)研究較少，把兩者結(jié)合起來(lái)的研究還沒(méi)有。深部巷道埋深大、地應(yīng)力高，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，圍巖強(qiáng)度和變形特征發(fā)生明顯變化。圍巖變形的流變性、擴(kuò)容性和沖擊性顯著，支護(hù)困難[1-2]。徐亞民[3]研究了沿?cái)鄬硬贾貌灰?guī)則綜放工作面煤巷支護(hù)技術(shù)，指出沿?cái)鄬油许斆合锏谰蜻M(jìn)過(guò)程中，受斷層附近集中應(yīng)力的影響，頂板破碎漏頂?shù)痊F(xiàn)象明顯，支護(hù)問(wèn)題突出，掌握掘進(jìn)期間巷道圍巖應(yīng)力重新分布規(guī)律是指導(dǎo)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，解決支護(hù)難題的關(guān)鍵。余偉建[4]研究了金川Ⅲ礦區(qū)斷層對(duì)圍巖性能的影響，研究結(jié)果表明越靠近斷層的巖體，受其影響程度越大，巖體變質(zhì)和風(fēng)化程度越高，穩(wěn)定性就越差，將斷層影響區(qū)分為4帶，即：斷層帶、斷層影響帶、破碎帶和節(jié)理帶。劉武麟[5]以岱莊煤礦4324工作面為依托，綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，對(duì)臨近斷層巷道的圍巖變形特征進(jìn)行了分析。郭生[6]研究了大斷層影響下的巷道圍巖變形破壞情況，指出靠近斷層的巷道變形跟斷層兩盤圍巖巖性有很大關(guān)系，軟巖中變形大，在硬巖變形量小。蘭兵[7]研究了斷層組應(yīng)力分布及巷道組支護(hù)技術(shù)，確定了斷層巖性為影響斷層組應(yīng)力分布最大的因素。針對(duì)斷層破碎帶巷道應(yīng)力小及變形大的特點(diǎn)，國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了巷道的專門支護(hù)技術(shù)，主要分為錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的全封閉系統(tǒng)[8-9]。以上研究沒(méi)有把斷層與巷道埋深結(jié)合起來(lái)，只是單獨(dú)考慮斷層影響，而深部平行大斷層巷道特有的變形特點(diǎn)需要進(jìn)行單獨(dú)研究。

本文以某礦6081回采巷道為工程實(shí)例，采用小孔徑水壓致裂地質(zhì)力學(xué)測(cè)試方法測(cè)試了該巷附近的地應(yīng)力大小和方向，分析了深部高地應(yīng)力平行于大斷層巷道的變形特征，得出了深部高地應(yīng)力平行于大斷層巷道的變形機(jī)理，提出了相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)，并把該技術(shù)應(yīng)用于井下，支護(hù)效果明顯。

1工程地質(zhì)

6081巷埋藏深度556～615m，長(zhǎng)1475m，巷高3.7m，巷寬5.2m，沿煤層頂板掘進(jìn)，位于六采區(qū)下部前進(jìn)方向的左翼，前進(jìn)方向左側(cè)尚未布置工作面，右側(cè)為實(shí)體煤，巷道平行于落差11m的大斷層，巷道位于正斷層上盤，距斷層20～75m，如圖1所示。煤層厚度3.26m，含0.2m厚的夾矸，煤層傾角5～16°，平均7°。直接頂為泥巖，厚度1.3m，之上依次為1m厚的細(xì)粒砂巖，2.5m厚的粉砂巖。直接底為泥巖，厚度0.8m，往下依次為1.4m厚的細(xì)粒砂巖，5.87m厚的砂質(zhì)泥巖。

圖1　6081巷位置

2地質(zhì)力學(xué)測(cè)試

為了解斷層對(duì)地應(yīng)力大小和方向的影響，采用小孔徑水壓致裂地質(zhì)力學(xué)測(cè)試方法，測(cè)試了受斷層影響和不受斷層影響處的地應(yīng)力大小和方向。測(cè)站1布置在六采區(qū)上部，周圍沒(méi)有地質(zhì)構(gòu)造，測(cè)站處埋深515m；測(cè)站2布置在6081巷內(nèi)距斷層20m處，測(cè)站處埋深619.3m。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

第1測(cè)站周邊沒(méi)有地質(zhì)構(gòu)造的影響，測(cè)試結(jié)果能夠比較好地反映原巖應(yīng)力。根據(jù)相關(guān)判斷標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于高應(yīng)力值區(qū)域。

表1　兩測(cè)站地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

第2測(cè)站雖然埋深較第1測(cè)站多104.5m，但是受落差11m的大斷層影響，最大、最小水平主應(yīng)力測(cè)試結(jié)果均較第1測(cè)站小，反映了斷層附近地應(yīng)力有較大的變化。該區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于中等應(yīng)力值區(qū)域。

2個(gè)測(cè)站最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，屬于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。2個(gè)測(cè)站的最大水平主應(yīng)力方向相差71.2°，最大水平主應(yīng)力方向受斷層影響改變明顯。

斷層附近應(yīng)力場(chǎng)變化的原因是斷層附近的巖層在斷層形成時(shí)受到一次擾動(dòng)，巖層已受到一定程度的破壞，巖層的破壞會(huì)引起巖層內(nèi)地應(yīng)力大小和方向發(fā)生變化。

3巷道變形機(jī)理

3.1巷道變形特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，巷道變形特征如下：

(1)巷道距離斷層越近，巷道圍巖特別是幫部煤體越松軟破碎，掘進(jìn)時(shí)有片幫的現(xiàn)象發(fā)生。

(2)巷道頂板下沉量較小，巷道變形穩(wěn)定后頂板最大下沉量100mm左右。

(3)兩幫移近速度快且移近量大，在巷道開挖后兩幫移近量很快就達(dá)到500～600mm，最大移近量量達(dá)1500mm。巷道兩幫回縮量基本相同，并沒(méi)有靠近斷層側(cè)幫回縮量大的現(xiàn)象發(fā)生。

(4)兩幫移近特征為兩排錨桿之間幫部回縮嚴(yán)重，并不是幫部整體回縮，幫部錨桿基本上沒(méi)有破斷現(xiàn)象發(fā)生，錨桿和鋼筋托梁均擠入煤體中。

(5)巷道出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓現(xiàn)象，在掘進(jìn)期間就已經(jīng)開始多次起底，累計(jì)底鼓量至少600mm。底鼓呈現(xiàn)初期底鼓速度慢、兩幫移近量達(dá)到一定量值后快速增加現(xiàn)象。

3.2巷道變形機(jī)理

根據(jù)巷道變形特征結(jié)合地質(zhì)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，分析認(rèn)為巷道變形機(jī)理如下：

(1)巷道埋深大，超過(guò)600m，屬于深部巷道支護(hù)范疇，巷道變形具有變形速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等深部巷道變形特征。

(2)斷層形成時(shí)引發(fā)周圍巖體的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，斷層周邊的巖體在斷層形成時(shí)已經(jīng)發(fā)生破壞，巷道圍巖強(qiáng)度較低并且節(jié)理裂隙發(fā)育，不利于錨桿支護(hù)力的擴(kuò)散。圍巖強(qiáng)度和抗變形能力差會(huì)導(dǎo)致巷道易發(fā)生變形，特別是自身強(qiáng)度就低的幫部煤體和沒(méi)有進(jìn)行支護(hù)的底板。

(3)雖然斷層附近巷道圍巖內(nèi)絕對(duì)地應(yīng)力值不大，但是從巖體應(yīng)力和巖體強(qiáng)度綜合考慮，巖體應(yīng)力相對(duì)值較大，再加上巷道開挖的擾動(dòng)影響，導(dǎo)致巷道發(fā)生較大變形。

(4)巷道布置方位不合理。根據(jù)地應(yīng)力巷道布置理論，最大水平主應(yīng)力的方向是指導(dǎo)掘進(jìn)巷道布置方向的主要理論依據(jù)。對(duì)于σH>σV>σh型應(yīng)力場(chǎng)，巷道最佳布置形式為巷道軸向與最大主應(yīng)力的方向呈某一夾角，夾角大小與主應(yīng)力大小有關(guān)，6081巷平行斷層處最優(yōu)巷道軸向與最大水平主應(yīng)力的夾角可用下式計(jì)算：

(1)

式中，σH=14.62MPa，σh=8.4MPa，σv=14.49MPa。

通過(guò)計(jì)算可知α0=82°。實(shí)際巷道軸向與最大水平主應(yīng)力夾角為91.2°，與最優(yōu)方向相差9.2°，巷道變形受到最大水平主應(yīng)力方向的影響。

(5)幫部支護(hù)強(qiáng)度低，幫部采用鋼筋托梁護(hù)表，護(hù)表能力差，導(dǎo)致錨桿的支護(hù)力只在錨桿周圍很小區(qū)域發(fā)揮作用，不能把錨桿的支護(hù)力有效地?cái)U(kuò)散到周圍遠(yuǎn)處的煤體中，沒(méi)有在巷幫淺部形成連續(xù)、完整的承載結(jié)構(gòu)。

(6)幫部錨桿施加的預(yù)緊力較小，導(dǎo)致錨桿限制巷道初期變形的能力差，只有幫部煤體變形后錨桿才能發(fā)揮作用，沒(méi)能控制住巷道初期的變形，使幫部煤體節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，降低了幫部煤體自身的承載能力，當(dāng)巷道開挖擾動(dòng)后，強(qiáng)度較低的巷道幫部發(fā)生劇烈回縮變形。

(7)巷道幫部支護(hù)時(shí)空幫距離較大，導(dǎo)致壓力充分顯現(xiàn)，此時(shí)巷道幫部處于二向半應(yīng)力狀態(tài)，容易發(fā)生較大變形。

(8)巷道底板鼓出主要是由于幫部回縮量大擠壓導(dǎo)致的。

(9)礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完備，沒(méi)有設(shè)置綜合監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)測(cè)量巷道的頂?shù)装逡平?、頂板下沉量、兩幫移近量、錨桿受力、錨索受力等，無(wú)法及時(shí)判斷當(dāng)前的支護(hù)方式是否合理，不能及時(shí)修改設(shè)計(jì)達(dá)到控制巷道變形的目的。

4巷道支護(hù)技術(shù)

根據(jù)以上巷道變形機(jī)理的分析，其中圍巖條件雖然可以通過(guò)注漿加固技術(shù)改變，但是對(duì)于工作面回采巷道，注漿加固成本過(guò)高，因此主要通過(guò)支護(hù)手段實(shí)現(xiàn)巷道的有效維護(hù)。

(1)提高錨桿預(yù)緊扭矩，通過(guò)提高錨桿預(yù)緊力及其有效擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖初期變形的有效控制，抑制圍巖完整性的降低，提高圍巖自身的承載能力。

(2)提高支護(hù)構(gòu)件的護(hù)表能力，提高錨桿有效作用范圍，使更大范圍內(nèi)的煤體共同承載，在巷道淺部形成連續(xù)的承載結(jié)構(gòu)，避免巷道幫部局部破壞的發(fā)生。

(3)減少巷道空幫空頂距離，實(shí)行“掘一錨一”，即掘進(jìn)1排支護(hù)1排，空幫時(shí)幫部由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎虬霊?yīng)力狀態(tài)，幫部煤體易向沒(méi)有力作用的巷道內(nèi)發(fā)生位移，而空幫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引發(fā)巷道幫部的充分變形，導(dǎo)致巷道幫部煤體完整性極差，節(jié)理裂隙發(fā)育，即使施加大的錨桿預(yù)緊力也不能恢復(fù)幫部煤體完整性，從而極大地減低了幫部煤體的承載能力，易引發(fā)巷道幫部大面積回縮。

(4)錨桿角度要垂直巖層，否則錨桿受力狀態(tài)差，不利于支護(hù)作用的充分發(fā)揮。

5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5.1支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上研究提出巷道支護(hù)設(shè)計(jì)，巷道寬5.2m，高3.7m，頂板布置6根直徑22mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度2400mm。采用2支樹脂藥卷，1支規(guī)格為CK2340，1支規(guī)格為Z2360，間距900mm，排距1000mm。錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到300N·m。錨索為φ21.6mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，延伸率7%，長(zhǎng)度5300mm，采用3支樹脂藥卷，1支規(guī)格為CK2340，2支規(guī)格為Z2360。排距2000mm，間距1800mm。錨索預(yù)緊力為250kN。

幫部布置4根直徑22mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度2400mm，采用2支樹脂藥卷，1支規(guī)格為CK2340，1支規(guī)格為Z2360。W鋼護(hù)板護(hù)幫：厚度4mm，寬280mm，長(zhǎng)度450mm。排距1000mm，間距1000mm。錨桿預(yù)緊扭矩到300N·m。支護(hù)見圖2。

圖2　6081巷支護(hù)設(shè)計(jì)

5.2支護(hù)效果

巷道掘進(jìn)期間布置了一個(gè)表面位移測(cè)站，測(cè)量了新型支護(hù)下巷道的兩幫移近量，兩幫移近量如圖3所示，從圖中可以得出：

圖3　巷道兩幫移近

(1)巷道兩幫移近量較采用鋼筋托梁支護(hù)時(shí)有了極大降低，降低幅度達(dá)80%以上，支護(hù)效果明顯。

(2)測(cè)站距掘進(jìn)工作面迎頭54m以內(nèi)時(shí)兩幫移近速度快，移近量為189mm，占兩幫總移近量的90%以上。

(3)兩幫移近變形時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)測(cè)站距掘進(jìn)頭100m以上時(shí)巷道還在變形。

6結(jié)論

(1)靠近大斷層時(shí)深部巷道的變形特征為兩幫移近量大且移近速度快，巷道底板嚴(yán)重底鼓，巷道頂板變形量不大。

(2)巷道變形機(jī)理為巷道圍巖應(yīng)力值相對(duì)圍巖強(qiáng)度大，再加上巷道開挖擾動(dòng)后支護(hù)不及時(shí)，初期支護(hù)強(qiáng)度較低，沒(méi)有在巷幫淺部形成承載結(jié)構(gòu)，不能充分發(fā)揮煤體自身的承載能力，導(dǎo)致巷道幫部發(fā)生較大變形，巷道幫部移近量大導(dǎo)致底鼓嚴(yán)重。

(3)巷道圍巖支護(hù)技術(shù)為“強(qiáng)幫快支”，即減少巷道空幫空頂距離，實(shí)行“掘一錨一”，提高幫部錨桿預(yù)緊力和護(hù)表構(gòu)件的面積及強(qiáng)度，提高煤體自身承載能力，控制巷道變形。

(4)工程實(shí)例表明采用強(qiáng)幫快支的支護(hù)設(shè)計(jì)，巷道變形量較小，達(dá)到了控制巷道變形的目的，解決了該礦深部平行大斷層巷道支護(hù)難題。

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[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Deformation Mechanism and Supporting Technology of

Deep Roadway Parallel to the Major Faults

LI Zhong-wei1,2,ZHANG Ning3,BAI Jian-min3

(1.Beijing Mining Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.Coal Mining & Designing Department，

Tiandi Science & Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013，China；3.Huozhou Coal Group Co.，Ltd.，Huozhou 031400，China)

Abstract：This paper takes a mine roadway as an example，tested crustal stress magnitude and direction near fault，compared test results with not affected by faults，faults significant effect on the situ stress magnitude and direction.Deformation characteristics of deep roadway is small roof subsidence and large deformation in roadway sides，causing severe roadway floor heave when parallel to the major faults.Deep roadway deformation mechanism is rock stress values relatively large compared with rock strength and early support with low intensity.This paper puts forward“strong and fast roadway’s sides”support technology and the technology successfully applied to underground，achieved significant supporting effect，successful solved the mine deep roadway which parallel to the major faults supporting problem .

Key words：Deep roadway；Parallel to the major faults；Deformation characteristics；Deformation mechanism；Supporting Technology

[作者簡(jiǎn)介]李中偉(1988-)，男，山東臨沂人，助理工程師，碩士，主要從事巖石力學(xué)與巷道支護(hù)技術(shù)方面的研究工作。

[基金項(xiàng)目]北京市科委重大科技成果轉(zhuǎn)化落地培育項(xiàng)目(Z141100003514011)；天地科股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2014-TDKC-06)；天地科技股份有限公司創(chuàng)新基金項(xiàng)目(KJ-2014-TDKC-01)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.016

[收稿日期]2015-05-15

[中圖分類號(hào)]TD353

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)06-0056-04