斷層破碎帶煤巷圍巖變形控制技術(shù)研究應(yīng)用

褚福橋 郝喜慶 桑遠(yuǎn)虎

（山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

受造煤運(yùn)動(dòng)影響，煤系地層普遍賦存斷層等地質(zhì)構(gòu)造。斷層的存在嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)過(guò)程的安全，揭露斷層時(shí)易發(fā)生冒頂、瓦斯突出及透水等安全事故。斷層附近應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜且圍巖結(jié)構(gòu)破碎，巷道掘進(jìn)支護(hù)難度大，且后期維護(hù)困難，頻繁返修影響工作面正常生產(chǎn)。因此有必要研究斷層破碎區(qū)巷道破壞特征及變形控制技術(shù)，目前諸多學(xué)者對(duì)此開展研究工作[1-4]。

為解決高莊煤礦3上05 材料巷揭露斷層過(guò)程中巷道斷面收斂顯著問(wèn)題，基于巷道圍巖破壞特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)條件，提出過(guò)斷層強(qiáng)力錨注支護(hù)技術(shù)，最后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果和技術(shù)可靠性。

1 工程背景

1.1 工作面條件

高莊煤礦3上05 材料巷擔(dān)負(fù)113上05 工作面的運(yùn)輸、通風(fēng)、行人等任務(wù)，位于西十一采區(qū)中東部，東部為村莊保護(hù)煤柱，西部為西十一采區(qū)四條下山，南部為3上1103 工作面采空區(qū)，北部為3上1107 工作面采空區(qū)。巷道的地面標(biāo)高為+32.9～+33.6 m，井下標(biāo)高為-457.1～ -495.0 m，巷道長(zhǎng)度為1303.1 m（平距），設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道凈斷面尺寸為寬×高=4.6×3.6 m。

巷道沿3上煤層頂板掘進(jìn)，3上煤層平均厚度為4.0 m，傾角為8°～16°。直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖，厚度1.6 m，基本頂巖性為細(xì)砂巖，厚度為4.3 m。3下煤層平均厚度為3.5 m，同3上煤層之間為31 m 的粉、細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖互層。3下煤層底板為厚度12.8 m 粉砂巖。在3上05 材料巷掘進(jìn)過(guò)程中預(yù)計(jì)揭露F3斷層，3上05 材料巷過(guò)斷層方案如圖1 所示。

圖1 3上05 材料巷過(guò)斷層方案（mm）

1.2 原掘進(jìn)支護(hù)參數(shù)

原掘進(jìn)支護(hù)采用錨網(wǎng)帶索主動(dòng)支護(hù)形式，具體參數(shù)為：頂部選用Φ22 mm×2400 mm 高強(qiáng)螺紋鋼讓壓錨桿，幫部選用Φ20 mm×2400 mm 左旋無(wú)縱筋全螺紋高強(qiáng)讓壓錨桿，托盤選用長(zhǎng)×寬×厚=150×150×10 mm 的高強(qiáng)托盤，錨桿排距為800 mm，間距如圖2 所示。

圖2 3上05 材料巷原掘進(jìn)支護(hù)斷面圖（mm）

頂部錨索型號(hào)Ф21.8 mm×5300 mm，錨索托盤選用長(zhǎng)×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm 的高強(qiáng)錳板托盤，錨索間排距1700 mm×1600 mm。

錨索與錨桿不布置在同一排，錨桿、錨索錨固方式為加長(zhǎng)錨固。

1.3 圍巖變形破壞情況

3上05 材料巷頂板巖性為砂質(zhì)泥巖，受斷層構(gòu)造賦存特點(diǎn)影響，斷層區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)完整性較差，抗擾動(dòng)能力弱，普通錨桿索支護(hù)難以有效控制巷道圍巖破壞及持續(xù)變形，導(dǎo)致后期巷道需頻繁返修。結(jié)合變形數(shù)據(jù)和窺視結(jié)果，將圍巖變形破壞特點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）斷層區(qū)域巷道收斂速度較快.巷道掘成一周內(nèi)，其斷面收斂速度可達(dá)21～29 mm/d，最大收斂速度98 mm/d。變形平穩(wěn)后觀測(cè)得到的頂?shù)装迨諗苛繛?.2～1.4 m，巷幫收斂量為0.9～1.2 m。

（2）穩(wěn)定周期較長(zhǎng)。巷道掘成后變形持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，需要28～50 d 變形量方能趨于平穩(wěn)。

（3）圍巖結(jié)構(gòu)較為破碎且破壞范圍較大。從圖3 中能夠看出，窺視鉆孔內(nèi)離層及剪切裂隙較為發(fā)育，孔壁粗糙破碎，整體結(jié)構(gòu)性較差。

圖3 圍巖變形破壞情況

1.4 斷層破碎區(qū)圍巖破壞機(jī)理

（1）構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境

斷層附近區(qū)域應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，影響支護(hù)-圍巖系統(tǒng)的關(guān)鍵是構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力一般以水平應(yīng)力為主，是原巖應(yīng)力水平的2 ～3 倍，這導(dǎo)致巷道圍巖易發(fā)生剪切型破壞。水平應(yīng)力過(guò)大引起的巖層錯(cuò)動(dòng)也導(dǎo)致錨桿易發(fā)生剪斷破壞。構(gòu)造應(yīng)力分布不均，甚至出現(xiàn)“斷層活化”現(xiàn)象，較大的時(shí)空分布差異增大了巷道圍巖支護(hù)工作的難度。

（2）構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的破碎圍巖條件

在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，巖層的錯(cuò)動(dòng)擠壓導(dǎo)致斷層附近區(qū)域巖體較為破碎，普通錨桿支護(hù)的范圍較小、強(qiáng)度較弱且抗擾動(dòng)能力差，難以對(duì)斷層區(qū)圍巖起到理想的變形控制效果?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)普遍存在錨桿整體脫出、預(yù)緊力失效及錨桿剪斷等現(xiàn)象，根本原因是普通錨桿支護(hù)不適用于斷層區(qū)圍巖條件。

2 強(qiáng)力錨注支護(hù)技術(shù)

2.1 斷層區(qū)圍巖變形控制思路

為適應(yīng)斷層區(qū)復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度及范圍，提升支護(hù)-圍巖系統(tǒng)剛度；為強(qiáng)化破碎圍巖支護(hù)效果，應(yīng)首先改善圍巖結(jié)構(gòu)完整及力學(xué)性能，進(jìn)而提高圍巖-支護(hù)體系統(tǒng)的承載能力。

基于上述分析，提出采用注漿錨索強(qiáng)力錨注技術(shù)對(duì)3上05 材料巷斷層破碎區(qū)圍巖進(jìn)行支護(hù)。注漿錨索強(qiáng)力錨注技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)是強(qiáng)力支護(hù)和注漿改性，適用于高水平復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境及破碎圍巖條件。一方面注漿錨索的支護(hù)范圍及強(qiáng)度更大，通過(guò)與普通錨桿配合使用，可形成內(nèi)外多層次圍巖承載系統(tǒng)，將淺部錨桿支護(hù)系統(tǒng)同深部錨索支護(hù)系統(tǒng)聯(lián)系成整體承載結(jié)構(gòu)；另一方面注漿錨索可在預(yù)應(yīng)力支護(hù)的同時(shí)進(jìn)行圍巖注漿加固，改善圍巖結(jié)構(gòu)完整性，增強(qiáng)圍巖自身承載性能。

2.2 強(qiáng)力錨注支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

基于原掘進(jìn)支護(hù)方案提出了過(guò)斷層的高強(qiáng)錨注支護(hù)方案。原方案的錨桿支護(hù)參數(shù)不變，頂板錨索改選用Φ22 mm×5300 mm 的注漿錨索，間排距設(shè)計(jì)為1700 mm×1600 mm，兩幫各增加2 根Φ21.8 mm×6000 mm 普通錨索，間排距設(shè)計(jì)為1200 mm×1600 mm，錨索托盤選用長(zhǎng)×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm 的高強(qiáng)錳板托盤，見圖4。

圖4 強(qiáng)力錨注支護(hù)斷面圖（mm）

過(guò)斷層期間圍巖破碎，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，提出的高強(qiáng)錨注支護(hù)方案可能需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合巷道圍巖條件及時(shí)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，必要時(shí)采取補(bǔ)打單體等措施加強(qiáng)支護(hù)，保證巷道頂板安全。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

采取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以驗(yàn)證過(guò)斷層期間強(qiáng)力錨索支護(hù)方案的圍巖控制效果，布置了測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)巷道斷面收斂情況，并對(duì)注漿錨索支護(hù)下頂板圍巖進(jìn)行了窺視。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

（1）從圖5（a）可以看出，采取強(qiáng)力錨注支護(hù)后，測(cè)點(diǎn)滯后掘進(jìn)工作面80 m 左右巷道變形趨于平緩。最終頂板下沉量為83 mm，巷幫收斂量為103 mm，底鼓量為19 mm。

（2）根據(jù)圖5（b）頂板圍巖窺視結(jié)果，可得出強(qiáng)力錨注支護(hù)有效控制了頂板圍巖變形，同時(shí)掘進(jìn)擾動(dòng)產(chǎn)生及斷層破碎原生的裂隙均被漿液充填，漿液擴(kuò)散效果良好。

圖5 巷道表面位移變化曲線圖

（3）同原過(guò)斷層掘進(jìn)支護(hù)方案相比，強(qiáng)力錨注支護(hù)方案下巷道斷面收斂量降低了90%以上，表明該支護(hù)方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)具有良好的適用性。

4 結(jié) 論

（1）為解決3上05 材料巷過(guò)斷層期間變形顯著問(wèn)題，分析了原支護(hù)失效及圍巖變形破壞原因，提出了強(qiáng)力錨注技術(shù)對(duì)巷道圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

（2）變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，強(qiáng)力錨注技術(shù)有效控制了過(guò)斷層巷道圍巖穩(wěn)定，巷道斷面收斂量較小，窺視結(jié)果顯示漿液擴(kuò)散良好，圍巖整體結(jié)構(gòu)得到有效改善。