霍衛(wèi)星

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

0 引言

由于我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道受到各種地質(zhì)構(gòu)造的影響，在巷道掘進過斷層區(qū)域由于圍巖條件較差，巷道的支護上存在著難支護、成本高、危險性大等問題，這便嚴重的影響著巷道的掘進速度，針對斷層構(gòu)造對巷道的影響，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量研究，如尹立明、郭惟嘉等學(xué)者[1]通過運用ANSYS數(shù)值模擬軟件結(jié)合相似模擬試驗的研究方法，分析了回采動壓影響下斷層區(qū)域上覆巖層的變形破壞特點及礦壓分布規(guī)律，根據(jù)研究結(jié)果表明：回采動壓影響下，斷層會活化，斷層區(qū)域內(nèi)的上覆巖體表現(xiàn)為頂板冒落高度達、周期斷裂步距小及頂板穩(wěn)定性差的特點；如王玉玨，王元明等人[2]通過運用現(xiàn)場實踐觀測的方法對巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)與斷層破碎帶產(chǎn)狀之間的關(guān)系進行定量分析，為巷道過斷層區(qū)域的的支護形式提供了合理可靠的參考。本文主要通過分析斷層對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合2-208工作面運輸巷變形的具體情況，對巷道過斷層區(qū)域的支護方案進行具體設(shè)計，并進行礦壓觀測驗證支護效果。

1 工程概況

某礦2-208工作面位于二采區(qū)，主采2#煤層，煤層均厚4.1m，煤層上方直接頂為泥巖，均厚為3.0m，基本頂為細砂巖，均厚為7.2m，直接底為泥巖，均厚為4.5m，老底為中砂巖，均厚為6.5m，2-208工作面運輸巷沿2#煤層掘進，據(jù)相鄰巷道揭露及三維地震資料顯示：工作面范圍內(nèi)F1162斷層橫穿工作面，其在工作面內(nèi)延伸的長度約為320m，斷層的落差為7m，傾角為60°，運輸順槽在掘進過程中會揭露該斷層。巷道原本設(shè)計在掘進過斷層時采用的支護形式為U型棚支護，棚距為650mm，棚腿與底板間的夾角為85°，具體支護參數(shù)如圖1所示，在巷道當(dāng)掘進至該斷層位置時，巷道在采用原有的巷道斷層的支護方案時出現(xiàn)U型鋼扭曲失穩(wěn)，空頂區(qū)域頂板冒落及棚腿彎曲現(xiàn)象，為保證巷道圍巖的穩(wěn)定，需在巷道過斷層段采取進一步的補強加固措施。

2 斷層對圍巖穩(wěn)定性的影響

當(dāng)巷道開挖后，巷道塑性區(qū)的半徑會隨著巷道的掘進而逐漸增大，當(dāng)斷層面與塑性區(qū)相交時，斷層對巷道圍巖的影響便會很大，具體塑性區(qū)與斷層幾何關(guān)系曲線如圖2所示，圖中R為塑性區(qū)半徑，m為斷層最大影響塑性區(qū)的范圍，φ為斷層面與水平方向的夾角。

圖1 2-208工作面運輸巷過陷落柱段原有支護斷面圖

圖2 塑性區(qū)與斷層幾何關(guān)系圖

根據(jù)圖1中斷層與塑性區(qū)之間的幾何關(guān)系能夠得出：

根據(jù)式（1）并結(jié)合巷道開挖后塑性區(qū)的表達式能夠得出斷層最大影響塑性區(qū)的范圍m的表達式為：

根據(jù)頂板巖層裂隙的發(fā)展過程能夠得出：當(dāng)巷道掘進至斷層的影響范圍時，巷道頂板的破壞過程可劃分為兩個階段，在第一階段，巷道頂板在原始應(yīng)力、垂直應(yīng)力和斷層面?zhèn)认驊?yīng)力的綜合作用下出現(xiàn)剪切擴容，致使頂板巖層出現(xiàn)松動；在第二階段，當(dāng)頂板裂隙延伸到斷層破碎帶時，容易致使斷層在剪切力的作用下出現(xiàn)上下兩盤的滑移現(xiàn)象，此時在覆巖重量及斷層上盤擠壓剪切力的作用下使得斷層的下盤出現(xiàn)擴容，從而導(dǎo)致斷層下盤處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，便會出現(xiàn)松塌性冒落現(xiàn)象[3]；隨著工作面掘進至斷層區(qū)域時，在掘進工作面超前壓力的作用下，前方的煤巖體會進入塑性區(qū)域，當(dāng)塑性區(qū)域的范圍與斷層破碎帶貫通時，便會導(dǎo)致掘進頭煤壁及兩幫出現(xiàn)圍巖坍塌現(xiàn)象[4]。

3 過斷層段支護方案設(shè)計

根據(jù)2-208工作面運輸巷在掘進過斷層時巷道的變形破壞特征，并結(jié)合巷道變形破壞的機理，分析確定巷道在過斷層段采用現(xiàn)有支護+噴漿+注漿的支護方式來對已掘進過斷層段的巷道進行修復(fù)，對未通過的斷層采用超前加固巷道圍巖+U型鋼棚的方式進行支護。

對于巷道過斷層區(qū)域，在現(xiàn)有支護形式下圍巖變形量大的區(qū)域提出采用噴漿+注漿的修復(fù)方案，具體的施工工藝為：先打設(shè)鉆孔，預(yù)埋導(dǎo)水管與注漿管、在巷道表面噴射一層厚為150mm的噴漿層，然后進行注漿作業(yè)；對于未通過的斷層區(qū)域，采用超前注漿加固的方式掘進通過斷層。

本次注漿材料主要使用水泥-水玻璃漿液，水泥的水灰比為0.6，注漿鉆孔直徑為50mm，設(shè)計修復(fù)巷道處的注漿深度為5.0m，巷道斷面內(nèi)布置6個注漿孔，頂板及兩幫各布置2個，注漿孔之間的間距為1.5m，巷幫孔距離底板的高度為1.3m，具體注漿鉆孔的布置位置如圖3所示。

圖3 注漿鉆孔布置圖

具體巷道掘進過斷層區(qū)域的施工工藝流程如下：

1）巷道支護。在巷道過斷層區(qū)域，架設(shè)U型鋼棚進行支護，棚距為650mm，棚腿與底板間的夾角為85°，拱梁和腿搭接長度為500mm，搭接處各用兩個卡纜卡住，卡纜間距為400mm，鋪設(shè)φ5.7mm的金屬焊接網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為100×100mm，（頂網(wǎng)4500×900mm、幫網(wǎng)3000×900mm）。同時每架棚拱頂按照850mm的間距均勻布置11根剎桿，棚之間用5根拉桿（采用Φ18mm×700mm的圓鋼焊制）聯(lián)鎖。

2）噴漿封閉。在U型棚架設(shè)完畢后，對巷道斷面進行噴漿作業(yè)，封閉圍巖，同時防止巷道圍巖的風(fēng)化并能夠防止后續(xù)注漿作業(yè)時出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。噴漿所用材料主要為水泥、黃沙、石子，水灰比為0.45，水泥∶黃砂∶石子的重量比=1∶2∶2，噴砼強度為C20，噴砼厚度為150mm，在進行噴射混凝土作業(yè)時先清理墻角浮矸，噴射墻基部位，再噴射兩幫，最后噴射拱頂部位。

3）注漿加固。在進行注漿加固作業(yè)時，注漿具體按照如下步驟施工：①在需加固位置用鉆機按設(shè)計打設(shè)注漿鉆孔，鉆頭φ50mm，孔深5m；②安裝注花漿管。將注漿花管放入鉆好的注漿孔，注漿花管外端與封孔器通過螺紋連接；③封孔。封孔采用ZF-A22封孔器，通過螺紋將封孔器與注漿花管連接；④通過螺紋將注液槍與封孔器連接，開泵封孔、注漿；⑤停泵，卸壓，拆除注液槍及注漿管線，移至下一個注漿孔，單孔注漿結(jié)束。依次進行下一鉆孔注漿。

4）特殊地段的錨桿補強支護。在架棚、噴漿、注漿通過斷層區(qū)域后，根據(jù)巷道現(xiàn)場變形的具體情況，針對巷道變形量較大的區(qū)域采用錨桿進行補強支護，錨桿的間排距為800×800mm，錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ22×2400mm。

4 礦壓觀測

為對巷道過斷層段采用U型棚+噴漿+注漿的支護方案的效果進行驗證，對修復(fù)后的巷道表面的位移量每2天進行一次觀測，持續(xù)觀測2個月，將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖4所示。

通過分析圖5能夠得出，巷道圍巖位移量的曲線表現(xiàn)為前期變形快，后期逐漸趨于穩(wěn)定的總體趨勢，在巷道的修復(fù)初期兩幫移近速度為12mm/d，變形速率約為15mm/d，后期巷道的變形速度逐漸減小，最終穩(wěn)定在約0.1mm/d；在觀測期間內(nèi)，巷道頂?shù)装宓淖畲笠平繛?96mm，兩幫的最大移近量為157mm，能夠看出巷道在采用U型棚+噴漿+注漿的支護方案后巷道圍巖變形得到了有效控制，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖4 巷道表面位移曲線

5 結(jié)論

通過分析巷道過斷層區(qū)域?qū)鷰r穩(wěn)定性影響，并具體分析2-208工作面運輸巷過斷層段巷道圍巖的變形特征，提出采用U型棚+噴漿+注漿的支護措施來控制巷道過斷層段圍巖的穩(wěn)定，根據(jù)礦壓觀測結(jié)果可知，支護方案實施后巷道過斷層區(qū)域頂?shù)装宓淖畲笠平繛?96mm，兩幫的最大移近量為157mm，有效的保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。