孤島煤柱面回采巷道過斷層圍巖控制技術

郭韶魯

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

1 工作面基本概況

經(jīng)坊煤業(yè)有限公司位于山西省長治市，隸屬于山西煤炭進出口集團公司控股管理，初始設計產(chǎn)能0.3 Mt/a，后經(jīng)改擴建后產(chǎn)能提升至2.4 Mt/a。井田面積30.72 km2，開采標高+840～+390 m，現(xiàn)階段開采3號煤層。礦區(qū)內(nèi)七采區(qū)在3-701與3-702工作面回采完畢后，在原留煤柱區(qū)內(nèi)布置了3-邊角06和3-邊角07兩個邊角工作面進行煤柱回收。3-邊角06工作面率先回采完畢后，使3-邊角07工作面形成孤島工作面。3-邊角071順槽在施工至通尺63 m位置處揭露一斷層，工作面左幫先出現(xiàn)巖石，迎頭揭露巖石厚度為1.5 m。根據(jù)揭露情況預計該斷層為正斷層，傾角約為75°，落差約為2 m。巷道頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 斷層影響區(qū)巷道圍巖破壞特征

巷道掘進過程中，由于工程擾動造成圍巖應力二次分布，在工作面前方形成超前支承壓力，并表現(xiàn)出明顯的“橫三區(qū)”分布特點。當巷道掘進遇斷層等地質(zhì)構造時，受構造應力集中影響，擾動形成的超前支承壓力發(fā)生疊加突變，使工作面前方應力劇增，造成斷層影響區(qū)圍巖物理力學性質(zhì)發(fā)生較大變化，呈現(xiàn)出內(nèi)部裂隙發(fā)育程度高、整體力學強度低、松軟破碎等狀態(tài)，工作面前方煤體松散片幫，不利于巷道穩(wěn)定。同時，應力集中區(qū)會反作用于斷層構造面，可能造成斷層“活化”，進而引發(fā)工作面更大規(guī)模的失穩(wěn)破壞。因此，巷道掘進過程中由斷層導致的構造應力場與工作面前方擾動應力場共同作用，對巷道及其圍巖的穩(wěn)定性構成不利的影響。斷層區(qū)工作面前方超前應力曲線見圖1。

圖1 斷層區(qū)工作面前方超前應力分布

為準確分析巷道過斷層期間的圍巖應力變化特征，本文采用FLAC數(shù)值模擬方法對3-邊角071順槽掘進過正斷層進行模擬分析，其結果見圖2。

圖2 巷道過斷層應力模擬

從圖2中可以看出，巷道掘進未進入斷層影響區(qū)時，受擾動后的工作面前方圍巖應力重新分布，出現(xiàn)“馬鞍形”支承應力分布區(qū)，并在工作面前方4～6 m左右出現(xiàn)應力峰值，約為23 MPa。當巷道掘進至進入斷層影響區(qū)后，受斷層影響，“馬鞍形”支承應力呈現(xiàn)出不規(guī)則分布特征，區(qū)域應力集中程度更高。同時在構造應力場與超前支承應力場疊加效果下，使斷層影響區(qū)內(nèi)巷道斷面頂、幫圍巖在高應力作用下更加破碎，從而進一步破壞圍巖的承載強度，使巷道圍巖失穩(wěn)加劇，直至圍巖內(nèi)形成新的應力平衡狀態(tài)。當巷道逐漸揭露斷層構造時，應力集中程度更高，且集中范圍也更大，隨著巷道掘進從斷層上盤過渡至下盤，集中應力區(qū)也逐漸轉(zhuǎn)移至下盤圍巖區(qū)。當掘進逐漸推過斷層后，超前支承應力逐漸恢復成“馬鞍形”，最大集中應力也降為23 MPa，說明已超過斷層影響區(qū)。

3 巷道過斷層支護優(yōu)化分析

3-邊角071順槽為矩形斷面，斷面設計尺寸5.2 m×3.1 m，巷道沿煤層頂留底掘進，采用“錨桿+鋼筋梁+金屬網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護方式，其頂板錨索支護采用Φ22 mm×9000 mm的19股高強度低松弛預應力鋼絞線，每排2根，錨索間距為2400 mm，排距為1600 mm。頂、幫錨桿均采用Φ22 mm×2400 mm左旋螺紋鋼錨桿，頂錨桿間排距為800 mm×800 mm，幫錨桿間排距850 mm×800 mm。頂錨桿每孔使用兩支藥卷，幫錨桿每孔使用一支藥卷，要求頂錨桿錨固力不小于150 kN，幫錨桿錨固力不小于100 kN；頂錨桿螺母扭力矩不低于320 N·m，幫錨桿螺母扭力矩不低于320 N·m。其支護方式見圖3。

圖3 初期支護方式

當巷道穿越斷層圍巖破碎帶時，為保證工作面施工安全，采用規(guī)格為Φ22 mm×2400 mm，間排距為1000 mm×800 mm錨桿進行超前加固，同時“短掘短支”及時縮短錨索排距，增加三花錨索補強支護，并采用錨網(wǎng)+工字鋼棚聯(lián)合支護巷道斷面。工字鋼選用礦用11#工字鋼，棚距1000 mm，棚頂、幫均用木背板背緊背實，背板長度為1400 mm，間距為400 mm，棚腿底部焊接150 mm×150 mm×10 mm鋼托板；為防止棚受壓后整體下沉，架棚時確保柱底為硬底，否則必須穿鞋；工字鋼棚采用六根拉桿連接，拉桿采用22#圓鋼（可用回收舊錨桿替代），每根棚腿兩根（距棚腿底1000 mm，棚頂500 mm處各一根），棚梁兩根（距棚梁兩側(cè)500 mm處各一根）；當巷道帶有坡度時，工字鋼棚迎山角合格（巷道傾角為5°～10°時，迎山角為1°～2°、巷道傾角為10°～15°時，迎山角為2°～3°）。工字鋼棚支護和超前錨桿支護見圖4、圖5。

圖4 錨網(wǎng)+工字鋼棚聯(lián)合支護

圖5 超前支護

4 斷面變形監(jiān)測

對巷道過斷層段進行支護優(yōu)化后，采用十字觀測法監(jiān)測巷道斷面收斂趨勢，得出3-邊角071順槽斷面變形特征見圖6。結果表明，采用超前錨桿+錨網(wǎng)棚支護方式后，在連續(xù)觀測的90d周期內(nèi)，兩幫最大移近量為157 mm，頂?shù)装遄畲笠平窟_到251 mm，變形最快速率出現(xiàn)在巷道完成后的前3天，此后變形速率逐漸減緩，在之后的50d觀測周期內(nèi)，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平冃纹骄俾史謩e達到4.3 mm/d和2.6 mm/d，50d后巷道斷面變形量趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出明顯收斂趨勢。因此可以得出，采用超前錨桿+錨網(wǎng)棚聯(lián)合支護方式，有效解決了巷道過斷層期間受集中應力影響產(chǎn)生的圍巖變形失穩(wěn)問題，保證了巷道斷面的有效空間，提高了原支護方式的安全系數(shù)，實現(xiàn)了斷層構造區(qū)內(nèi)圍巖與支護的有效耦合讓壓，取得了良好的工程效果。

圖6 巷道斷面變形觀測

5 結語

針對經(jīng)坊礦3-邊角071順槽掘進過斷層影響區(qū)內(nèi)圍巖變形嚴重，原支護無法保證安全掘進等問題，通過理論分析斷層影響區(qū)內(nèi)巷道圍巖變形嚴重的力學來源，并以3#煤層頂?shù)装鍘r性賦存特征，對巷道過斷層過程進行數(shù)值模擬，得出了過斷層期間支承應力的變化特征。根據(jù)圍巖應力集中程度，采取針對性的超前錨桿支護和加強型工字鋼棚支護方式，并根據(jù)變形觀測數(shù)據(jù)反映了支護方式可有效控制圍巖變形，保證巷道穩(wěn)定，為類似條件下的巷道支護施工提供了借鑒。