近斷層巷道開挖穩(wěn)定性分析與支護技術(shù)

史紅邈

（潞安化工集團有限公司 王莊煤礦，山西 長治046031）

伴隨著我國礦井建設(shè)的不斷發(fā)展，巷道開挖遭遇斷層破碎帶的工程實例越來越多。由于斷層破碎帶一般具有強度低、富水性強、透水性大等特點，并與其前后方巖體存在著顯著的物理力學性質(zhì)差異。因此，當巷道穿越斷層破碎帶時，巷道周邊圍巖應(yīng)力場、變形場以及滲流場的變化特征十分復(fù)雜，導(dǎo)致巷道突水、坍塌、支護結(jié)構(gòu)失效等問題時有發(fā)生，嚴重制約了煤炭資源的安全高效開采[1-3]。

21 世紀以前，由于巷道掘進技術(shù)以及相關(guān)理論知識水平相對落后，巷道在施工遭遇斷層時往往會發(fā)生嚴重的突水和支護失效事故，這階段的近斷層巷道穩(wěn)定性相關(guān)研究主要集中在施工支護技術(shù)的總結(jié)實踐方面[4-6]。而進入21 世紀以后，物理模型試驗、地球物理監(jiān)測以及計算機科學技術(shù)在煤炭開采行業(yè)開始高速發(fā)展和應(yīng)用[7-9]，這一時期許多學者對不同斷層破碎帶條件下的巖層防突厚度[10-12]、近斷層巷道的圍巖變形破壞特征[13-15]以及斷層圍巖安全施工技術(shù)[16-18]展開了大量的研究，取得了許多豐碩的成果。然而，這些研究成果卻很少綜合考慮巷道圍巖穩(wěn)定性在斷層前后的變化發(fā)展規(guī)律，以及不同支護方式對近斷層巷道圍巖變形破壞特征的影響，導(dǎo)致巷道穿越破碎帶支護成本依舊過高。

以安里煤礦回風大巷為依托，采用FLAC3D對其FD49斷層破碎帶前后方圍巖的應(yīng)力場、變形場、滲流場以及塑性區(qū)進行了系統(tǒng)的分析，并研究了錨桿排間距以及注漿加固范圍對巷道圍巖變形破壞特征的影響；從而針對不同的圍巖地質(zhì)段，提出了不同的支護加固方法，確保了工程的安全，可為今后類似相關(guān)工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

安里煤礦回風大巷埋深為500 m，設(shè)計長度約1 248 m，斷面形狀為直墻半圓拱形，其中巷寬4.8 m，墻高1.4 m。根據(jù)勘察報告，回風大巷施工至493 m 時將揭露FD49斷層破碎帶（傾向135°、傾角66°、寬度6.0 m、上下盤落差20 m、水壓2.0 MPa），巷道過斷層破碎帶斷面圖如圖1。斷層上盤巖性以中砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖層較為穩(wěn)定；下盤以泥巖、煤巖、細砂巖為主，巖層穩(wěn)定性較差；斷層內(nèi)填充物則為碎屑狀泥煤巖，穩(wěn)定性極差；各層巖石的物理力學參數(shù)見表1。

圖1 巷道過斷層破碎帶斷面圖Fig.1 Section view of roadway passing through fault fracture zone

2 數(shù)值模擬模型與方案

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)上述工程情況，采用FLAC3D建立近斷層巷道開挖施工三維數(shù)值模擬模型（圖2）。模型寬度30 m、高度30 m、長度65 m，共包含410 168 個節(jié)點和396 552 個單元。模型邊界條件設(shè)置為頂面施加豎向壓力12 MPa，底面以及四周施加法向約束，破碎帶頂部施加水壓2.0 MPa。模擬巷道開挖施工時，每步進尺為3 m，在設(shè)置當前進尺水壓為0 的條件下打開滲流分析模式進行流固耦合分析。

表1 近斷層巷道周邊巖石的物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rocks near fault roadway

圖2 近斷層巷道開挖數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model of roadway excavation near fault

2.2 數(shù)值模擬方案

為研究近斷層巷道開挖變形破壞特征以及支護措施，設(shè)計了以下幾個數(shù)值模擬方案。

1）方案1：直接開挖。對巷道不進行任何支護，對破碎帶不進行任何處理。

2）方案2：疏水開挖。對巷道不進行任何支護，但對破碎帶進行疏水處理。

3）方案3：疏水后錨噴支護開挖。對巷道中砂巖段進行噴射混凝土支護；對巷道破碎帶段進行疏水以及錨噴支護；對巷道泥巖段進行錨噴支護；模擬錨桿間距分別為1.6、1.2、0.8、0.4 m。

4）方案4：疏水加固后錨噴支護開挖。對巷道中砂巖段進行噴射混凝土支護；對巷道破碎帶段進行疏水注漿加固以及錨噴支護；對巷道泥巖段進行錨噴支護；模擬注漿加固范圍分別為1、3、5、7 m。

2.3 本構(gòu)模型及計算參數(shù)

為準確反應(yīng)巷道周邊巖體的物理力學特征，在表1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，參考鄭穎人、經(jīng)緯等人[19-20]的研究成果，采用應(yīng)變軟化模型來模擬斷層周邊圍巖；并在保持圍巖內(nèi)摩擦角和抗拉強度始終不變的條件下，取圍巖峰后的殘余內(nèi)聚力為峰值前的35%。

此外，考慮注漿漿液主要是填充巖體內(nèi)部的孔隙，則可以根據(jù)破碎帶的孔隙率、破碎帶圍巖參數(shù)以及漿液凝固參數(shù)，采用線性插入法計算得到注漿范圍內(nèi)巖體的各個力學參數(shù)。

式中：k′為斷層破碎帶加固后的參數(shù)值；k0為斷層破碎帶加固前的參數(shù)值；n 為注漿破碎帶的孔隙率；k1為注漿漿液凝固后的參數(shù)值；η 為注漿填充孔隙的比率。

斷層破碎帶在加固前的彈性模量為0.55 GPa，孔隙率為0.4，注漿漿液填充破碎帶孔隙率為90%，漿液凝固后彈性模量為5.0 GPa；則加固后破碎帶彈性模量為2.13 GPa。

3 無支護條件下近斷層巷道開挖變形破壞規(guī)律

3.1 斷層破碎帶不進行疏水降壓

3.1.1 巷道周邊圍巖應(yīng)力分析

方案1 計算條件下，開挖面前方巖體豎向應(yīng)力隨開挖面距斷層破碎帶距離L（圖1）的變化曲線如圖3。

圖3 開挖面前方巖體豎向支撐應(yīng)力分布圖Fig.3 Vertical support stress distribution of rock mass before excavation

由圖3 可以看出，巷道開挖面前方巖體豎向應(yīng)力由開挖面往深處，其值首先在開挖面處因應(yīng)力卸載為0；然后在前方0.5 m 處出現(xiàn)最大峰值（約為18～20 MPa），隨后往前5 m 后慢慢降落為原巖應(yīng)力12 MPa；當圍巖豎向應(yīng)力傳遞至破碎帶位置時，由于破碎帶圍巖早已發(fā)生屈服，其值迅速降落至8.0 MPa；當經(jīng)過破碎帶區(qū)域后，圍巖豎向應(yīng)力又迅速恢復(fù)至原巖應(yīng)力。

此外還可知，隨著開挖面逐漸向斷層破碎帶逐漸靠近，由于破碎帶圍巖較軟，無法承擔有效的荷載，導(dǎo)致巷道前方圍巖豎向應(yīng)力集中范圍逐漸減小而峰值應(yīng)力則逐漸增大，當開挖面距斷層破碎帶距離L=-6 m 時，巷道前方圍巖豎向支承應(yīng)力將達到19.1 MPa（應(yīng)力集中系數(shù)為1.54）。從圍巖彈性支承范圍大小上看，巷道前方圍巖應(yīng)力總是在開挖面前方0.5 m 處出現(xiàn)最大值，這說明巷道開挖引起的前方圍巖塑性區(qū)范圍并不會因開挖面向斷層破碎帶靠近而引起突變，說明中砂巖對破碎帶具有良好的保護和隔水作用，其防突厚度可以相對較小。

3.1.2 巷道周邊圍巖位移分析

隨著巷道的向前開挖，巷道當前進尺內(nèi)巖體的最大位移變化曲線如圖4。

圖4 開挖面距斷層不同距離下巷道巖體的最大位移曲線Fig.4 The maximum displacement curves of roadway rock mass at different distances from excavation face to fault

當開挖面距斷層距離大于9 m 時，斷層破碎帶對當前開挖范圍內(nèi)圍巖的位移影響基本很小，此時，巷道拱底、底板、側(cè)墻以及開挖面的最大位移分別穩(wěn)定在10.4、13.5、5.5、4.0 mm。其后，隨著開挖面的向前推進，由于受斷層傾向以及走向的影響，巷道前方以及右側(cè)方巖體的豎向支承應(yīng)力將逐漸增大，同時斷層水對巷道右側(cè)以及前方巖體的擠壓作用也越明顯，導(dǎo)致巷道周邊巖體最大位移在拱頂、右墻以及開挖面處迅速增大，而在左墻以及底板處則基本保持不變。當開挖面距斷層距離等于3 m 時，巷道拱頂、右墻以及開挖面巖體的最大位移分別比之前增大了40%、80%、200%；這意味著，可通過監(jiān)測巷道周邊巖體位移的變化規(guī)律來判斷巷道前方是否存在斷層破碎帶以及破碎帶大致的產(chǎn)狀。

但需要說明的是，當前開挖巖體主要為中砂巖，其力學強度高，因此，即使巷道圍巖位移增大幅度比例較大，但其總體的增長幅值卻相對較小，很容易引起工作者的忽視。這說明，當斷層破碎帶后方圍巖為堅硬圍巖時，斷層破碎帶的突水或失穩(wěn)征兆將不是十分明顯，導(dǎo)致開挖更容易直接揭露斷層，發(fā)生突水坍塌事故。

3.1.3 巷道周邊圍巖水壓分析

開挖面距斷層不同距離下巷道開挖面巖體最大水壓的變化曲線如圖5。

圖5 開挖面距斷層不同距離下開挖面巖體的最大水壓Fig.5 Maximum water pressure of excavated face rock mass at different distances from excavation face to fault

由于中砂巖具有較好的穩(wěn)定性和隔水性，開挖對中砂巖裂隙擴展影響很小。因此，當開挖面距斷層距離大于6 m 時，開挖面前方巖體裂隙并不會與斷層破碎帶相連形成導(dǎo)水通道，此時，開挖面巖體最大水壓基本為0。而當開挖面距斷層距離等于3 m時，在破碎帶傾向分布規(guī)律的影響下，巷道開挖首先會在右下角揭露斷層破碎帶，導(dǎo)致巷道開挖面巖體水壓迅速增大至0.9 MPa，發(fā)生突水事故。由此可知，巷道開挖斷層破碎帶后方堅硬巖層時，其突水往往具有突發(fā)性強、瞬時水量大等特點。

3.2 斷層破碎帶進行疏水降壓

3.2.1 巷道周邊圍巖位移分析

由上述計算結(jié)果可知，開挖破碎帶后方堅硬巖石易誘發(fā)突水，因此需要在開挖面與破碎帶之間預(yù)留一定的防突巖層厚度后，再對破碎帶進行疏水降壓。方案2 計算條件下巷道周邊巖體最大位移隨開挖面推進的變化曲線如圖6。

圖6 無支護條件下巷道周邊巖體的最大位移分布曲線Fig.6 The maximum displacement distribution curves of surrounding rock mass without support

由圖6 可知，疏水降壓后巷道周邊圍巖能夠在開挖面推進至斷層破碎帶前始終保持穩(wěn)定，即其最大位移始終小于30 mm。而當巷道開挖一旦穿過破碎帶，巷道破碎帶圍巖將因缺少支護而導(dǎo)致徑向位移迅速增大并不斷增長（單進尺位移最大增長幅度可達400 mm），尤其是首先被揭露的底板和右墻位置。當巷道開挖進入泥巖地層并不斷向前推進，遠離破碎帶區(qū)域的中砂巖位移基本保持不變；而破碎帶圍巖位移則繼續(xù)增長，并帶動附近的中砂巖和泥巖產(chǎn)生相應(yīng)的徑向位移。當巷道開挖面穿過破碎帶24 m 后，破碎帶區(qū)域圍巖以及距開挖面較遠處泥巖位移開始趨于穩(wěn)定；此時，破碎帶圍巖拱頂、右墻、底板以及左墻最大徑向位移分別達到554.3、752.9、210.2、409.1 mm；而泥巖段圍巖拱頂、右墻、底板以及左墻最大徑向位移則分別為75.2、75.1、33.9、80.0 mm。因此，為保證巷道安全，需要對巷道泥巖段進行錨噴支護；對巷道破碎帶段進行疏水降壓、注漿并錨噴支護；對巷道中砂巖段則只需進行噴射混凝土支護即可。

3.2.2 巷道周邊圍巖塑性區(qū)分析

無支護條件下巷道在不同地段的塑性區(qū)分布圖如圖7。

圖7 無支護條件下不同地段巷道周邊巖體塑性區(qū)分布圖Fig.7 Plastic distribution of surrounding rock mass in different sections of roadway without support

由圖7 可知，巷道開挖后，巷道在中砂巖段的破壞范圍主要集中在巷道兩幫淺部位置，其破壞深度約為1.2 m，破壞高度約為3.6 m；巷道在破碎帶地段的破壞范圍主要集中在巷道拱頂兩側(cè)斜45°方向以下的所有區(qū)域，其在兩幫以及底板的破壞深度高達10 m 以上；巷道在泥巖段的破壞范圍則主要分布在巷道兩幫淺部位置，其破壞深度約2.4 m，破壞高度約9.4 m。根據(jù)巷道在各個地段的破壞范圍可知，對巷道泥巖段應(yīng)進行錨噴支護以加強巷道淺部圍巖的“組合拱”作用，而且錨桿長度不應(yīng)小于2.4 m；對巷道破碎帶段除了進行錨噴支護外，還應(yīng)進行注漿處理，提高破碎帶自身的力學性質(zhì)。

4 巷道過破碎帶以及軟巖段支護技術(shù)

4.1 軟巖段錨桿排間距

當噴射混凝土厚度為120 mm、錨桿長度為2.4 m 時，不同排間距下巷道泥巖的位移以及塑性區(qū)分布圖如圖8 和圖9。

圖8 不同錨桿間距下巷道在軟巖段的最大位移Fig.8 The maximum displacement of roadway under different bolt spacing in soft rock segment

對比圖6 可以看出，當錨桿排間距設(shè)置為1.6 m 時，巷道泥巖在拱頂、底板以及側(cè)墻的徑向最大位移與無支護條件下對比分別減小44%、19%以及75%；而破壞深度以及破壞高度則分別減小50%和33%；可見，錨噴支護對限制軟巖變形破壞能夠起到良好的效果。隨著錨桿排間距的減小，巷道泥巖徑向位移以及破壞范圍逐漸減小，而且減小的幅度越來越大；當錨桿排間距為0.4 m 時，巷道泥巖在拱頂、側(cè)墻以及底板的最大徑向位移約為18.1、6.4、22.0 mm，塑性區(qū)破壞范圍則僅出現(xiàn)在巷道底部約1.2 m 的區(qū)域。但由于錨桿排間距的減小必然導(dǎo)致施工成本的急劇增加，應(yīng)選擇合理的排間距；由計算結(jié)果可知，當錨桿排間距為0.8 m 時，泥巖各處徑向位移和塑性區(qū)范圍就相對較小，能夠滿足施工以及使用的要求。

4.2 破碎帶注漿范圍確定

當破碎帶采用錨噴支護后，不同注漿范圍條件下巷道在破碎帶段的最大徑向位移大小如圖10。

圖9 不同錨桿排間距下巷道在軟巖段的塑性區(qū)分布圖Fig.9 Plastic layout of roadway under different bolt spacing in soft rock segment

圖10 巷道破碎帶巖體位移隨注漿范圍的變化曲線Fig.10 The variation curves of rock mass displacement in roadway fracture zone with grouting range

由圖可知，如不對破碎帶進行注漿加固（注漿加固范圍為0），則錨桿支護很難以限制破碎帶圍巖的位移，此時，巷道破碎帶圍巖在錨噴支護后的位移仍可達680 mm。而進行注漿后，破碎帶圍巖就能在淺部區(qū)域形成1 個統(tǒng)一的整體，能夠有效發(fā)揮組合拱作用，使得自身承載能力得到很大提高，其各處徑向位移值迅速減小。注漿范圍越大，破碎帶淺部區(qū)域圍巖承載性能就越好，相應(yīng)的圍巖位移也就越?。坏斪{范圍達到一定程度時，淺部圍巖承載能力就會趨于穩(wěn)定，增大注漿加固范圍對圍巖位移影響很小。因此，建議本工程破碎帶注漿加固范圍應(yīng)大于3 m，小于5 m。

巷道掘進完成后，破碎帶注漿范圍外的水壓會逐漸回升，巷道破碎帶巖體位移隨回水水壓的變化曲線如圖11。當注漿加固范圍小于3 m 時，破碎帶內(nèi)水壓對巷道表面巖體位移影響很大，隨著水壓的升高，巷道巖體位移增長速率逐漸加快，水壓達到3.0 MPa 時，巷道拱頂沉降量將比掘進完成時增大約35%。當注漿加固范圍大于3 m 時，破碎帶水壓回升對巷道圍巖位移影響相對很小，即使水壓達到3.0 MPa，巷道拱頂沉降也僅比掘進完成時增大約8%。因此，為保證巷道的使用安全，破碎帶的加固范圍也應(yīng)大于3 m。

圖11 巷道破碎帶巖體位移隨回水水壓的變化曲線Fig.11 The variation curves of rock mass displacement in roadway fracture zone with backwater pressure

4.3 注漿以及錨噴支護后近斷層巷道開挖變形

巷道中砂巖段采用噴射混凝土支護，巷道斷層段采用疏水降壓+注漿+錨噴支護，巷道泥巖段采用錨噴支護后，巷道周邊圍巖位移隨開挖面推進距離的變化曲線如圖12。

由圖12 可以看出，當巷道開挖推過斷層破碎帶后，中砂巖段巖體位移基本保持穩(wěn)定，此時，巷道拱頂、底板以及側(cè)墻最大位移分別為19.9、17.8、11.6 mm。當巷道開挖推過破碎帶15m 后，巷道破碎帶巖體以及遠離開挖面（約12 m）的泥巖位移基本保持穩(wěn)定；此時，破碎帶巖體最大位移出現(xiàn)在拱頂位置，其值約為20.6 mm，泥巖段巖體的最大位移出現(xiàn)在拱頂以及底板位置，分別為27.2 mm 和23.5 mm。這說明，針對破碎帶前后不同的圍巖地段采用不同的支護方法，能夠達到既經(jīng)濟又安全的目的，具有較大的工程應(yīng)用價值。

5 結(jié) 論

1）斷層未疏水降壓情況下，巷道周邊巖體的最大位移出現(xiàn)在拱頂、右墻以及開挖面處，并隨著開挖面的向前推進而逐漸增大，但因圍巖較硬，其增長幅度較小，導(dǎo)致斷層破碎帶在突水或失穩(wěn)前的變形征兆將不是十分明顯，導(dǎo)致開挖更容易直接揭露斷層，發(fā)生突水坍塌事故。

圖12 支護條件下近斷層巷道周邊巖體位移分布曲線Fig.12 The displacement distribution curves of surrounding rock mass near fault roadway under support condition

2）斷層未支護情況下，巷道開挖一旦揭露破碎帶，破碎帶巖體徑向位移將迅速增大且不斷增長，其單進尺最大位移增長幅度可達400 mm；當巷道開挖面穿過破碎帶24 m 后，破碎帶以及破碎帶前方泥巖最大徑向位移將分別達到752.9 mm 和80.0 mm。

3）隨著錨桿排間距的減小，巷道泥巖徑向位移以及破壞范圍逐漸減小，而且減小的幅度越來越大，綜合考慮經(jīng)濟與安全方面，建議巷道泥巖以及破碎帶段錨桿排間距選擇0.8 m。

4）隨著破碎帶注漿加固范圍的增大，破碎帶巖體位移逐漸減小，但當注漿加固范圍達到3～5 m 以上時，再增大注漿加固范圍對圍巖位移影響很小。

5）針對破碎帶前中后不同的圍巖地段（中砂巖、破碎帶、泥巖），分別采用噴射混凝土、疏水降壓+注漿+錨噴以及錨噴支護，能夠達到既經(jīng)濟又安全的目的。