極近距離煤層巷道掘進(jìn)過斷層頂板控制技術(shù)

呂經(jīng)國

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

1 工程背景

山西河曲晉神磁窯溝煤礦位于山西忻州河曲縣，磁窯溝礦11102回風(fēng)巷道直接頂為厚度5.50m左右的泥巖夾煤線，泥巖裂隙發(fā)育，易冒落。直接頂上部為10-2#煤層保護煤柱，10-2#煤層上部的砂巖隨工作面采空后垮落；直接底為厚度0.45m左右泥巖；基本底為厚度5.50～22.07m的砂質(zhì)泥巖。11102回風(fēng)巷道掘進(jìn)工作面的11煤層厚度為3.0～7.5m，平均厚度為4.5m，夾矸0-1層，平均厚度0.2m，最大厚度0.4m。

11102回風(fēng)巷道寬度5.2m，高度3.7m，斷面面積19.24m2。11102回風(fēng)巷道已經(jīng)掘進(jìn)至720m，720m處巷道迎頭出現(xiàn)700mm正斷層。受斷層影響巷道副幫割矸700mm，同時巷道頂部矸石破碎，副幫頂部出現(xiàn)離層，離層范圍：長2m×寬2m×深1m，且巷道兩幫均有片幫、破碎現(xiàn)象。11102回風(fēng)巷道位置如圖1所示。

圖1 11102回風(fēng)巷道位置關(guān)系圖

2 斷層處巷道失穩(wěn)原因分析

（1）斷層構(gòu)造應(yīng)力對巷道的影響

由于斷層區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力作用分布復(fù)雜，巷道開挖后構(gòu)造應(yīng)力重新分布。11102回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面所遇斷層為正斷層，當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層附近時，掘進(jìn)巷道圍巖應(yīng)力受斷層構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生顯著改變，斷層發(fā)生活化，斷層接觸面巖石破碎產(chǎn)生滑移，斷層構(gòu)造應(yīng)力再次作用于掘進(jìn)巷道周圍巖層。

（2）地應(yīng)力對巷道的影響

斷層帶區(qū)域內(nèi)巷道變形、破壞和失穩(wěn)受地應(yīng)力影響明顯。深部地應(yīng)力中水平地應(yīng)力比垂直地應(yīng)力更大，水平應(yīng)力對巷道造成主要影響是巷道頂?shù)装遄冃纹茐?，而垂直?yīng)力主要造成巷道兩幫變形破壞。11102回風(fēng)掘進(jìn)巷道上方7m處為采空區(qū)，掘進(jìn)巷道上方巖層重量作用于巷道，使得巷道垂直應(yīng)力大于水平應(yīng)力，從現(xiàn)場實際情況來看巷道兩側(cè)圍巖出現(xiàn)片幫破壞。

（3）巷道臨界范圍失穩(wěn)理論計算

由于斷層帶中的巷道巖石松散破碎，塑性區(qū)范圍更大，常規(guī)理論方法無法計算塑性區(qū)半徑，滿足不了支護要求。利用引入了Hoek-Brown常數(shù)（m1）和巖體地質(zhì)強度指標(biāo)（GSI）2個常數(shù)的Hoek-Brown準(zhǔn)則，可以準(zhǔn)確地計算出斷層帶中巷道圍巖破碎臨界范圍。失穩(wěn)臨界理論模型如圖2所示。

修正后的Hoek-Brown準(zhǔn)則如式（1）：

式中：

取m=m1e(GSI-100)∕28，s=e(GSI-100)/9；

σθ-巖體破壞時的最大主應(yīng)力；

σr-巖體破壞時的最小主應(yīng)力；

c-巖石單軸抗壓強度。

圖2 失穩(wěn)臨界理論模型

巷道臨界失穩(wěn)塑性區(qū)破碎區(qū)域關(guān)系為：

式中：

a-巷道半徑；

r-巷道中心到彈塑性交界面的距離；

R0-臨界失穩(wěn)范圍；

P0-圍巖應(yīng)力。

聯(lián)立式（1）（2）（3）得，圍巖臨界失穩(wěn)范圍公式：

根據(jù)磁窯溝礦實際地質(zhì)資料可取圍巖參數(shù)為：GSI取60，c取12.6MPa，P0取6.67MPa，a取2.6m，代入式（4）中計算得到斷層帶破碎巷道圍巖臨界失穩(wěn)范圍為2.119m。

3 補強支護方案

根據(jù)上述理論分析以及磁窯溝礦11102回風(fēng)巷道實際地質(zhì)狀況，過斷層時提出如下補強支護方案。巷道支護示意圖如圖3所示。

（1）正常情況下循環(huán)進(jìn)度5m，由于受斷層的影響，其頂板及幫部可能會出現(xiàn)破碎，要及時進(jìn)行巷道頂板支護，頂錨桿間排距為1.0×1.0m，保證錨桿緊固力大于100N·m的要求。如發(fā)現(xiàn)頂板及幫部破碎或次生斷層出現(xiàn)，立即減小循環(huán)進(jìn)度，由5m降為2.5m，采取短掘短支，緩慢抬底，同時錨索、鋼帶及時跟進(jìn)工作面，2m一條鋼帶，每條鋼帶3根錨索，幫支護緊跟工作面迎頭。

（2）由于該斷層區(qū)域內(nèi)頂板離層，錨索必須及時緊固，預(yù)緊力大于150kN。要求在巷道頂板支護完成時，立即進(jìn)行幫部支護，緊跟工作面迎頭，幫網(wǎng)與幫網(wǎng)，幫網(wǎng)與頂網(wǎng)搭接200mm，每300mm用14#鐵絲扭結(jié)。錨索施工時必須及時張拉，確保錨索支護的錨固段在堅硬巖層上。如頂板離層后層間距小于5m，頂幫網(wǎng)片支護到位后，則對該斷層區(qū)域進(jìn)行架棚支護。架棚采用11#工字鋼，棚距1m，工字鋼棚滯后工作面不得超過3m。工字鋼支架規(guī)格：11102回風(fēng)巷道橫梁長5200mm，棚腿長3600mm，棚距1000mm，如圖3（b）所示。

4 數(shù)值模擬

根據(jù)磁窯溝實際地質(zhì)概況，并結(jié)合11102工作面鉆孔柱狀圖，運用MIDAS軟件建模并對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，局部研究區(qū)域加密，建立磁窯溝過斷層巷道模型，并導(dǎo)入FLAC3D數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行計算。模型參數(shù)賦值根據(jù)地質(zhì)報告中的巖層物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值，模型頂部自由，四周限制其位移邊界條件，底部固支。應(yīng)力邊界條件為：頂部施加5MPa垂直地應(yīng)力，四周施加6MPa水平地應(yīng)力，模擬初始地應(yīng)力場分布。模擬圖及模擬結(jié)果圖如圖4所示。

圖3 巷道支護示意圖

圖4 11102回風(fēng)巷遇斷層數(shù)值模擬圖

由圖4可知，11102回風(fēng)巷掘進(jìn)未進(jìn)行補強支護前，巷道底板最大位移量為13.2mm，頂板最大位移量為28.5mm，左幫最大位移量為28.8mm，右?guī)妥畲笪灰屏繛?9.4mm，斷面收縮率為2.23%。11102回風(fēng)巷掘進(jìn)采用補強支護后，巷道底板最大位移量為12.7mm，頂板最大位移量為24.7mm，左幫最大位移量為24.6mm，右?guī)妥畲笪灰屏繛?4.7mm，巷道斷面收縮率為2.1%。較補強前，頂板最大位移量下降3.8%，底板最大位移量下降3.8%，左幫最大位移量下降16.0%，右最大位移量下降16.0%，斷面收縮率下降0.89%，巷道穩(wěn)定性高。

5 巷道位移監(jiān)測

按照補強支護方案對11102回風(fēng)巷進(jìn)行支護，通過布置測點的方式對巷道兩幫及頂?shù)装暹M(jìn)行了圍巖移近量監(jiān)測，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出11102回風(fēng)巷圍巖位移監(jiān)測圖，如圖5所示。

圖5 11102回風(fēng)巷圍巖位移監(jiān)測圖

由圖5（a）可知，不進(jìn)行支護時巷道兩幫最大移近量283.3mm，支護后巷道兩幫最大移近量減少到100.7mm，相對于支護前減少了64.5%（182.6mm）。由圖5（b）可知，不進(jìn)行巷道頂?shù)装逯ёo時巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?13.6mm，支護后巷道頂?shù)装逭w移近量減少，最大移近量減小到122.3mm，相對于支護前減少了61.0%（191.3mm）。

補強支護方案對11102回風(fēng)巷進(jìn)行加固后，巷道圍巖穩(wěn)定性有了明顯提高，巷道兩幫及頂?shù)装逡平繙p少明顯，說明補強支護方案是可行的。

6 結(jié)論

為研究極近距離采空區(qū)下巷道掘進(jìn)過斷層巷道控制技術(shù)，以磁窯溝煤礦11102回風(fēng)巷道為工程背景，采用理論分析、理論計算和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：

（1）磁窯溝礦11102回風(fēng)巷過斷層巷道失穩(wěn)是由于巷道圍巖應(yīng)力受斷層構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生明顯改變，此外斷層區(qū)域內(nèi)圍巖破碎強度低；

（2）通過數(shù)值模擬對比分析，補強支護后的方案比原方案控制效果提升，巷道穩(wěn)定性較高。