掘進(jìn)巷道過斷層補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)圍巖穩(wěn)定性研究

孟尚斌

（晉能集團(tuán)長治三元中能煤業(yè)有限公司 山西長治046000）

1 前言

煤炭資源開采的過程中眾多的難題困擾著礦山的開采，其中巷道在掘進(jìn)過程中會(huì)遇到斷層甚至多斷層一直是礦山開采中的一個(gè)大問題。此前眾多學(xué)者對此進(jìn)行了一定的研究，鄭峰[1]通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對過斷層巷道的支護(hù)的穩(wěn)定性和受力情況進(jìn)行了一定的分析，通過分析結(jié)果對支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行了一定的優(yōu)化，有效的提高了過斷層巷道的穩(wěn)定性。徐兵[2]通過理論分析了斷層對巷道的破壞機(jī)理，通過數(shù)值模擬對巷道進(jìn)行了支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，有效的降低了煤柱的變形和破壞，保證了巷道的穩(wěn)定性和安全性。宋衛(wèi)華[3]研究了巷道回采過程中的礦山壓力和正斷層的上盤正應(yīng)力間的相互關(guān)系，給出了巷道過斷層時(shí)的安全措施，提升了巷道的圍巖穩(wěn)定性，為巷道的支護(hù)提供了一定的指導(dǎo)。戎建偉[4]為了解決巷道穿越斷層時(shí)地壓顯現(xiàn)較為強(qiáng)烈的問題，通過對圍巖進(jìn)行加固和巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)解決了此問題，提升了礦上的經(jīng)濟(jì)效益。本文通過以某礦為研究背景，對此礦山巷道過斷層進(jìn)行了的研究，利用理論分析的手段對巷道過斷層破裂的機(jī)理進(jìn)行了一定的研究，并給出了支護(hù)方案，為巷道過斷層的穩(wěn)定性提供一些個(gè)人見解。

2 斷層及支護(hù)方案研究

斷層是一種由于地殼運(yùn)動(dòng)及地層活動(dòng)產(chǎn)生的斷裂及沿著斷裂方向產(chǎn)生移動(dòng)的地層，斷層的存在會(huì)改變地應(yīng)力的分布，在巷道掘進(jìn)過程中，斷層的存在會(huì)對巷道的安全性造成較大的威脅，所以對斷層的地應(yīng)力分析是十分必要的。根據(jù)巖石強(qiáng)度理論和地質(zhì)構(gòu)造我們通常將自重作為一個(gè)主應(yīng)力，斷裂面垂向的力作為另一個(gè)主應(yīng)力。所以如圖1所示為正斷層情況下的主應(yīng)力示意圖。

圖1 正斷層下主應(yīng)力示意圖

如圖1（a）中σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力。在正斷層形成階段內(nèi)，巖石的變形破壞依距庫倫摩爾準(zhǔn)則。

公式中：α 為斷層方向與最小主應(yīng)力方向的余弦；C0為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。將最大最小主應(yīng)力進(jìn)行分解后，得到圖1（b）。所以斷層的垂直反向可以分解出應(yīng)力分量和平行方向分解出的應(yīng)力分量分別為：

當(dāng)斷層逐步趨于穩(wěn)定后，此時(shí)σ平=σ垂tan φ，其中φ 是斷面的摩擦角。將上述公式進(jìn)行整合可得：

所以我們可以推到出穩(wěn)定條件下的最大最小主應(yīng)力的比值為:

從公式中可以得知，斷層的穩(wěn)定與斷面的傾角和斷面的摩擦角有著密切的關(guān)系，斷面摩擦角不變時(shí)，K值隨著斷層的傾角發(fā)生變化，當(dāng)斷層傾角不斷的加大，此時(shí)的K 值不斷的增大，反之亦然。所以斷層的穩(wěn)定是K 值等于1 時(shí)的狀態(tài)，當(dāng)K 值小于1 時(shí)，此時(shí)的最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，當(dāng)K 值大于1 時(shí)此時(shí)的最大主應(yīng)力為垂直方向的應(yīng)力也就是自重應(yīng)力。

斷層的存在對巷道的掘進(jìn)有著至關(guān)重要的作用。巷道的變形破壞時(shí)，巷道冒頂和巷道的底鼓等事故一般都是由于水平應(yīng)力的作用，所以在斷層的形成過程中我們主要研究水平應(yīng)力，最小主應(yīng)力和中間主應(yīng)力均為水平應(yīng)力，當(dāng)巷道的走向與斷層為垂直時(shí)，此時(shí)的掘進(jìn)方向與最小主應(yīng)力平行，此時(shí)的巷道主要受到中間主應(yīng)力和最大主應(yīng)力的作用，此時(shí)的巷道垂直方向的壓力較大，兩側(cè)的壓力較小。變形呈現(xiàn)出對稱狀態(tài)，支護(hù)較為簡單。當(dāng)巷道的走向與斷層呈現(xiàn)出相交時(shí)，此時(shí)的巷道受到三個(gè)方向的作用，當(dāng)掘進(jìn)至斷層周邊時(shí)，此時(shí)在兩幫的左側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨之掩體發(fā)生變形，右?guī)蜁?huì)隨之產(chǎn)生應(yīng)力集中。正斷層時(shí)巷道的水平主應(yīng)力小于垂直應(yīng)力，所以在考慮巷道穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)當(dāng)首先考慮頂板和底板的穩(wěn)定性。巷道的走向與斷層夾角的示意圖如圖2所示。

圖2 斷層與巷道走向位置示意圖

為了確定斷層的情況，礦山對斷層進(jìn)行鉆孔，鉆孔位于回風(fēng)大巷的迎頭位置，斷層距離頂板3.3 m，距離左幫1.1 m，并將鉆孔的角度設(shè)置為1°，鉆孔的長度選取為8.8 m，發(fā)現(xiàn)鉆孔的在0 m～4 m 時(shí)為煤層，而在4 m～6.5 m 的位置為泥巖，剩余長度為細(xì)砂巖。分析了斷層的情況后提出了在巷道掘進(jìn)過程中的支護(hù)方案。

在原有的支護(hù)方案錨桿、注漿錨索、金屬網(wǎng)及噴射砼的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次支護(hù)，利用U 型鋼支架及復(fù)噴砼進(jìn)行加固。依據(jù)現(xiàn)場的實(shí)測情況對破碎圍巖進(jìn)行及時(shí)的注漿加固，用于提升錨索的支護(hù)性能，配合原支護(hù)下的樹脂錨桿金和金屬網(wǎng)，有效的提升圍巖的穩(wěn)定性。同時(shí)配合U型可伸縮支架對巷道的變形進(jìn)行一定的控制。結(jié)合懸吊梁及現(xiàn)場實(shí)測資料對支護(hù)的參數(shù)進(jìn)行確定。確定后的錨桿長度為2.4 m，錨桿的直徑為20 mm，錨桿的間距為0.6 m 且為雙排距布置。注漿錨索的間距設(shè)置為2 200 mm，排距為2 000 mm。支護(hù)方案示意圖如圖3所示。

圖3 支護(hù)方案示意圖

3 現(xiàn)場監(jiān)測

對支護(hù)后的圍巖表面進(jìn)行監(jiān)測，利用JSS30A監(jiān)測儀對圍巖的兩幫移近量和頂板下沉量及底板起鼓進(jìn)行監(jiān)測。本次選取的監(jiān)測位置在斷層前方7m 處和斷層的中心位置設(shè)置測站，分別在頂板、底板及兩幫處各設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)。監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)控制在一定的范圍之內(nèi)以保證巷道的穩(wěn)定性。2個(gè)斷面監(jiān)測結(jié)果圖如圖4所示。

圖4 斷面監(jiān)測結(jié)果圖

根據(jù)圖4（a）和圖（b）可以看出在掘進(jìn)天數(shù)24天以前底板的位移量幾乎不會(huì)發(fā)生較大的變化，但在掘進(jìn)天數(shù)24天后的底板位移量出現(xiàn)了一定的變化，底板的最大的變形量為1.9 mm。而頂板在掘進(jìn)34 天以前呈現(xiàn)出線性增長的趨勢，最大的頂板下沉量為10.4 mm，但隨著掘進(jìn)天數(shù)的增加頂板的下沉量速度逐步減小，最大的下沉量為11.38 mm。相對于頂板和底板，兩幫的變形量呈現(xiàn)出對稱規(guī)律，在掘進(jìn)天數(shù)30 天以前，兩幫的變形量都呈現(xiàn)一定的線性增長，在30天之后兩幫的變形趨勢都呈現(xiàn)出下降的趨勢，左幫的最大變形量為4.92 mm，右?guī)偷淖畲笞冃瘟?.81 mm。綜合來看監(jiān)測斷面1在30天以前的巷道變形量速率較快，但在30天后速度有一定的放緩。

根據(jù)圖4（c）和圖（d）可以看出斷面2 的底板變形量呈現(xiàn)出上下波動(dòng)，綜合來說底板的變形量較為穩(wěn)定，最大變形量為1.53 mm，而頂板的下沉量隨著掘進(jìn)天數(shù)的增加而不斷增大，頂板的最大變形量為20.98 mm，兩幫的變形量不同于斷面1，右?guī)偷淖畲笞冃瘟棵黠@大于左幫，右?guī)妥畲笞冃瘟繛?2.03 mm，左幫的最大變形量為7.81 mm?？梢钥闯鲋ёo(hù)后的巷道圍巖較為穩(wěn)定且支護(hù)性能較好。

4 結(jié)論

本文通過分析斷層的受力情況，并結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況，在錨桿、注漿錨索、金屬網(wǎng)及噴射砼的基礎(chǔ)上利用U 型鋼支架及復(fù)噴砼進(jìn)行進(jìn)行二次支護(hù)，并對加強(qiáng)支護(hù)后的巷道圍巖表面變形進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)支護(hù)后巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊平枯^小，巷道圍巖穩(wěn)定性較好，有效的解決了過斷層巷道變形較大的問題。