申勇杰

（山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046000）

1 工程背景

余吾煤業(yè)現主采3#煤層，設計生產能力600萬t/a，煤層厚度5～7.25m，平均5.99m，全區(qū)穩(wěn)定可采。該礦S1301工作面專用回風巷為矩形斷面，斷面寬度4.5m，高度3m，現已掘進完畢并通過了F9正斷層。F9斷層斷距為1～2m，走向216°，傾角35°，傾向306°。由于缺乏經驗，設計的支護方案未能較好地控制斷層處回風巷圍巖的穩(wěn)定性，導致S1301回風巷過斷層后頂底板及兩幫出現大面積破碎。該煤層下一工作面的S1302工作面運輸巷也為矩形斷面，斷面寬度4.5m，高度3m，現已施工637m。迎頭距離F11正斷層剩余83m，F11斷層預計上下盤斷距為1～1.4m，走向230°，傾角70°，傾向320°。S1302及S1301工作面巖層巖性分布大致相同，工作面無偽頂，直接頂以砂質泥巖為主，平均厚度6m，基本頂以粗粒砂巖為主，平均厚度為8m，直接底主要為泥巖，平均厚度7m，基本底巖性以粉砂巖為主，平均厚度10m。為防止S1302運輸巷過斷層時出現與S1301回風巷同樣的情況，有必要設計有效的支護方案，使S1302運輸巷安全高效地通過斷層。

2 巷道破壞機理

（1）由于斷層是巖層上下盤錯動發(fā)生明顯位移的地質構造，所以斷層上下盤之間的斷層帶內巖石較破碎且夾雜大量泥石混合物。斷層帶內雜物遇水會有明顯的膨脹性，對巷道產生擠壓作用，不利于巷道支護。

（2）巷道過斷層處的圍巖破碎較嚴重，巖體本身沒有良好的膠結穩(wěn)定性，在巷道開挖的擾動下，應力重新分布非常復雜，極易發(fā)生大面積的破碎與變形現象。

（3）由于斷層的影響，巷道直接頂與基本頂連接性變差，易出現離層現象。若支護方案中的錨索長度不足，則無法充分發(fā)揮錨索的懸吊作用，一旦發(fā)生直接頂與基本頂的離層，容易出現巷道頂板的大面積垮落及錨索拉斷等現象。

（4）由于斷層帶附近構造應力較為復雜，巷道穿過斷層時，其軸向與構造水平應力往往會存在一定的夾角。夾角的存在使得巷道原本破碎的頂底板在水平應力的影響下更易發(fā)生剪切及拉伸破壞。頂底板的變形破壞又使得覆巖應力向巷幫集中，最終使得斷層處巷道整體破壞失穩(wěn)。

3 巷道過斷層安全支護技術

（1）超前預注漿加固

根據F11斷層賦存狀態(tài)、破碎區(qū)域范圍及運輸巷布置、掘進情況，確定出運輸巷預注漿加固施工方案如下：在距斷層帶10m附近時，沿巷道斷面輪廓布置注漿孔，孔長均為15m，超前預注漿鉆孔共布置10個孔，注漿孔施工圖如圖1所示。其中1～3號注漿孔沿巷道斷面的頂板布置，鉆孔均向上傾斜4°～6°，孔間距2000mm，確保巷道掘進過程中頂板保持完整性，不發(fā)生垮落；4～5號及6～7號注漿孔分別布置于巷道兩幫，孔間距2000mm，鉆孔均保持平行布置，保證巷道兩幫及掌子面的強度及穩(wěn)定性，較好地支撐頂板；8～10號注漿孔沿底板布置，孔間距2000mm，均向下傾斜4°～6°，保證巷道過斷層破底前進時，巷道頂底板破碎巖體不發(fā)生大面積冒落。10個鉆孔發(fā)揮各自優(yōu)勢，保證巷道安全通過斷層的同時又能維持巷道的長期穩(wěn)定性，在回采時依然保持破碎巖體的整體性。注漿材料以無機礦粉為主原料，配比一定的早凝劑及其他細骨料。該注漿材料不僅強度高、凝結速度快、與巖體膠結性高、滲透率高，而且經濟環(huán)保，對地下環(huán)境無污染。

圖1 注漿孔施工圖（單位：mm）

（2）聯合加強支護

根據S1302運輸巷過斷層破碎帶的工程地質條件，在注漿加固斷層破碎帶巖體的基礎上優(yōu)化加強原支護方式，具體支護方案如下：

S1302運輸巷圍巖完整處的支護方案與原支護方案相同，而將斷層破碎帶處的巷道頂板錨桿數量增加為6根，錨桿的間排距縮小為800mm×1000mm，改用抗剪、抗拉強度高的左旋無縱筋螺紋鋼強力錨桿。頂錨桿直徑22mm，長度2400mm，頂板兩邊的錨桿分別向左或向右傾斜15°布置。為了保持錨桿對圍巖體的組合支護作用，托盤處施加的預緊力矩應不小于400N·m。頂錨索采用1×18股高強度低松弛鋼絞線制作，錨索直徑22.6mm，長度6.4m，間排距為2000mm×2000mm，每排布置2根錨索。為防止頂板發(fā)生離層現象，托盤處施加的預緊力矩應不小于800N·m。巷道的兩幫各布置3根錨桿，錨桿規(guī)格及參數與頂板錨桿相同，錨桿排間距為1200 mm×1000mm，上下兩幫錨桿分別向頂板或底板傾斜15°布置。幫錨索參數及規(guī)格與頂錨索相同，間排距改為1000mm×1000mm，每排每幫各布置兩根錨索。巷道聯合加強支護布置如圖2所示。

圖2 運輸巷加強支護設計圖

4 數值模擬

為評價設計的支護方案能否較好地保證S1302運輸巷過斷層的穩(wěn)定性，通過數值模擬的方法分別對S1301回風巷及S1302運輸巷過斷層支護進行模擬驗證，對比分析兩種方案在斷層圍巖破碎段巷道的支護效果。

（1）模型建立

根據3#煤層工程地質概況，建立FLAC3D數值模擬模型，模擬埋深300m，模型長×寬×高=60m×50m×40m，共建立25870個單元，斷層模型如圖3所示。其中模擬的斷層落差為1.2m，模型四周采用位移固定約束，底部無約束，頂部施加9.5MPa的上覆巖層應力，根據巖層屬性及斷層構造設置側壓系數為1.2。待模型初始應力平衡后，先沿3#煤層底板掘進S1301回風巷，過斷層方式為破底掘進，采用原支護方案進行支護模擬。隨后重新導入初始平衡模型，進行S1302運輸巷的開挖，運輸巷掘進及過斷層方式與回風巷相同，巷道完整段支護方式也與回風巷相同，但斷層處的支護方式采用“超前預注漿加固+加強聯合支護”的方式進行模擬。

圖3 斷層模型圖

（2）模擬結果分析

回風巷與運輸巷不同支護方式過斷層破碎帶時巷道塑性區(qū)分布情況如圖4所示。

由圖4（a）可知，S1301回風平巷穿過斷層時巷道圍巖整體較破碎，原支護方案下巷道頂板及兩幫均出現大面積的剪切破壞，底板破壞深度為1.2m，兩幫中部還存在少量的拉破壞。這是由于圍巖破碎不連續(xù)，導致頂板受力不均勻，頂板承載能力不足使得應力在兩幫集中并產生錯動剪切效應，原支護方案下S1302回風巷圍巖塑性破壞區(qū)的面積高達120m2，巷道的穩(wěn)定性及安全性較低。由圖4（b）可知，運輸平巷在超前預注漿的作用下保持了圍巖的完整性，同時加強后的支護方案較好地將圍巖破碎帶與完整圍巖連接起來，防止了頂板離層及冒落現象的發(fā)生，頂底板及兩幫僅存在少量剪切破壞及拉伸破壞，其塑性區(qū)面積僅為61m2，較原支護方案下的回風巷下降了49.1%，有效地控制了巷道過斷層時的圍巖變形。

（3）支護效果分析

為驗證運輸巷過斷層時的支護效果，在運輸巷掘進至斷層帶前10m處布置測點，采用十字布點法實時監(jiān)測運輸巷過斷層時及過斷層后圍巖變形及位移情況，分析支護效果。運輸巷圍巖變形監(jiān)測情況如圖5所示。

由圖5可以看出，通過“超前預注漿加固+加強支護”的聯合支護方式，使得運輸巷斷層處原本破碎的圍巖組成連續(xù)的整體結構。運輸巷剛過斷層時，由于采動影響較大，測點處兩幫圍巖及頂底板圍巖位移量都迅速增加，但巷道掘進穿過斷層11d后圍巖位移便逐漸趨于穩(wěn)定，兩幫最大移進量66.4mm,頂底板最大移進量為86.2mm。巷道掘進過斷層后30d頂底板的移進量一直控制在85mm內，兩幫移進量控制在65mm內，巷道過斷層帶的圍巖控制效果顯著，消除了安全隱患。

圖4 圍巖塑性區(qū)分布圖

圖5 巷道過斷層圍巖變形量

加強支護后的運輸巷，在過斷層一個月后，巷道頂底板及兩幫依然保持完整，未出現明顯的破碎及變形，支護效果良好，避免了二次支護，節(jié)約成本的同時提高了掘進速度，保證了工作面安全、高效的回采。

5 結論

（1）通過分析巷道過斷層時的圍巖變形破壞機理，提出了運輸巷安全過斷層的“超前預注漿加固+混合加強支護”的支護技術方案。

（2）數值模擬結果及現場觀測表明，提出的過斷層安全支護方式有效地控制了巷道的穩(wěn)定性。采用改進技術支護后的運輸巷，其塑性區(qū)破壞面積較原支護方案下的回風巷下降了59m2。

（3）根據現場實測得出，加強支護后的運輸巷圍巖變形量在10d內便穩(wěn)定在100mm以內，說明優(yōu)化后的支護方案有效地控制了圍巖變形，為相同工況下的巷道支護提供了研究及參考價值。