顧以春， 錢(qián) 秀， 李 崗

(南京安吉特礦山工程有限公司， 江蘇 南京 211100)

1 前言

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的逐年增加和采掘活動(dòng)的影響，再加上斷層構(gòu)造帶等地質(zhì)特征因素的影響，導(dǎo)致大量回采巷道處于困難條件，圍巖變形量大、支護(hù)體失效嚴(yán)重、冒頂事故時(shí)有發(fā)生，為了保證巷道的正常使用和工作安全，許多礦井花費(fèi)大量人力和支護(hù)材料對(duì)回采巷道進(jìn)行維護(hù)和翻修，嚴(yán)重影響了礦井的正常接續(xù)和安全生產(chǎn)。

斷層對(duì)圍巖變形破壞的影響機(jī)理是圍巖控制的關(guān)鍵。針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了有益地探究。彭蘇萍[1]通過(guò)建立了高角度的不同開(kāi)采方法的兩組不同斷層模型，分析研究煤層頂板變形規(guī)律產(chǎn)生的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，從而得到煤巖體受采動(dòng)影響斷層活化斷裂滑移失穩(wěn)，煤巖體應(yīng)力不正?，F(xiàn)象。劉德乾[2]利用離心模型實(shí)驗(yàn)法，針對(duì)煤巖體的應(yīng)力和變形特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)研究開(kāi)采過(guò)程中煤柱和頂?shù)装鍛?yīng)力的傳遞規(guī)律以及構(gòu)造因素產(chǎn)生的影響，認(rèn)為斷層結(jié)構(gòu)面的存在改變了頂板變形和受力的連續(xù)性，斷層兩側(cè)頂板的受力狀態(tài)明顯不同，并沿結(jié)構(gòu)面形成應(yīng)力集中帶。李志華[3]以濟(jì)三煤礦6303工作面地質(zhì)條件為背景，采用物理數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬軟件模擬，研究了工作面分別從在斷層上盤(pán)及下盤(pán)向斷層開(kāi)采時(shí)采動(dòng)誘發(fā)礦壓沖擊情況，研究認(rèn)為工作面距離斷層越近，斷層活化滑移量及滑移速度越大，工作面在斷層下盤(pán)向斷層開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致工作面發(fā)生沖擊礦壓危險(xiǎn)性更高。馬念杰、李季、趙志強(qiáng)等[4-5]推導(dǎo)出了不均勻應(yīng)力場(chǎng)條件下圓形巷道圍巖塑性區(qū)的邊界方程，發(fā)現(xiàn)了“蝶形”不規(guī)則塑性區(qū)及其形成的力學(xué)機(jī)制，應(yīng)力場(chǎng)大小與方向、巷道斷面形狀、巖性組合等關(guān)鍵因素對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)具有不同程度的影響。

以上文獻(xiàn)主要研究斷層對(duì)圍巖變形的影響，但受采動(dòng)和斷層共同影響對(duì)巷道圍巖變形的研究卻鮮有涉及。因此，本文針對(duì)某礦201工作面回風(fēng)巷和203工作面回風(fēng)巷為工程背景，采用數(shù)值模擬研究方法，研究斷層上下盤(pán)活動(dòng)效應(yīng)下巷道受開(kāi)采擾動(dòng)下的礦壓顯現(xiàn)及圍巖變形規(guī)律，揭示巷道斷層活化機(jī)制對(duì)巷道變形破壞失穩(wěn)機(jī)理，針對(duì)性提出巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

2 工程概況

某礦地處陜北黃土高原南部，屬黃土高原中等切割區(qū)，侵蝕構(gòu)造地形，煤炭資源豐富。礦區(qū)南北長(zhǎng)約5～7 km，東西寬約3～8 km，形狀不規(guī)則，井田面積約為15.488 5 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a，主采煤層為K2煤層，開(kāi)拓方式為斜井開(kāi)拓，采煤方法為單一煤層長(zhǎng)壁采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)。根據(jù)該礦生產(chǎn)接續(xù)計(jì)劃，將于2021年9月起對(duì)二盤(pán)區(qū)201、203工作面進(jìn)行回采。根據(jù)鄰近礦井地質(zhì)資料和二盤(pán)區(qū)大巷掘進(jìn)過(guò)程中斷層揭露情況，預(yù)計(jì)201工作面至203工作面之間存在與工作面推進(jìn)方向平行且橫貫井田境界東西兩側(cè)的3DF4斷層，落差1～3 m。巷道平面布置如圖1 所示。目前，201工作面已經(jīng)形成，掘進(jìn)過(guò)程中201回風(fēng)順槽左幫揭露多條小斷層，距201工作面回風(fēng)巷開(kāi)口850～1 260 m，3DF4斷層沿巷道走向穿過(guò)巷道頂板中心，頂板破碎帶較為發(fā)育，圍巖變形量較大，巷道未穿過(guò)斷層位置圍巖變形量較小，圍巖實(shí)際變形情況如圖1所示。203工作面回風(fēng)巷與201工作面回風(fēng)巷之間留設(shè)30 m煤柱，屬于正掘進(jìn)巷道，在距巷道開(kāi)口1 600 m到203工作面切眼位置3DF4斷層穿過(guò)。

圖1 巷道平面布置圖

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)該礦201和203綜采工作面的地質(zhì)條件，利用FLAC3D5.0數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，研究掘巷階段巷道穿斷層段與未穿斷層段圍巖塑性區(qū)和應(yīng)力場(chǎng)分布特征。數(shù)值模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為410 m×120 m×120 m，具體如圖2所示。對(duì)模型的四周施加水平方向位移約束，模型頂部和底部根據(jù)埋深施加應(yīng)力邊界條件：頂部應(yīng)力為2.112 5 MPa，底部應(yīng)力為5.112 5 MPa；整個(gè)模型施加豎直方向和水平方向體力為梯度應(yīng)力，取側(cè)壓系數(shù)取1.7。本數(shù)值模型采用彈塑性本構(gòu)模型，破壞準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。模型各巖層圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 201工作面回風(fēng)巷圍巖變形情況

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 掘巷階段巷道圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)

圖3所示為201與203工作面回風(fēng)巷穿過(guò)斷層段圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)，巷道穿斷層段與未穿斷層段圍巖塑性區(qū)最大破壞深度見(jiàn)表2。

表2 巷道穿斷層段與未穿斷層段圍巖塑性區(qū)最大破壞深度

201工作面回風(fēng)巷和203工作面回風(fēng)巷處于斷層三種相對(duì)位置時(shí)圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)可知，斷層的位置對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)的分布特征具有顯著影響：整個(gè)斷層破碎帶完全處于塑性破壞狀態(tài)。由圖3(a)和圖3(c)可得，201和203回風(fēng)巷過(guò)斷層段的圍巖塑性區(qū)形態(tài)具有明顯的非均勻分布特征，位于上盤(pán)頂板的塑性區(qū)最大破壞深度明顯小于下盤(pán)，位于上盤(pán)底板的塑性區(qū)最大破壞深度明顯大于下盤(pán)，且頂?shù)装逅苄詤^(qū)分布形態(tài)沿巖層傾向延伸擴(kuò)展，煤壁側(cè)塑性區(qū)最大破壞深度小于煤柱側(cè)。

圖3 巷道過(guò)斷層與未過(guò)斷層段圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)

由圖3(b)可得，煤柱過(guò)斷層段的圍巖塑性區(qū)形態(tài)的分布特征較為均勻，頂?shù)装逅苄詤^(qū)最大破壞深度大于兩幫。

3.3 掘巷階段巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征

圖4所示為201與203工作面回風(fēng)巷穿過(guò)斷層段圍巖最大主應(yīng)力分布形態(tài)(FLAC3D軟件系統(tǒng)默認(rèn)圍巖受壓為負(fù)，拉力為正)。

掘巷階段，斷層的位置對(duì)巷道圍巖最大主應(yīng)力場(chǎng)的分布特征具有顯著影響：巷道淺部圍巖發(fā)生塑性破壞，因此出現(xiàn)“卸荷”區(qū)域，深部圍巖逐漸出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖4(a)可得，201巷道頂?shù)装迳畈繃鷰r出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板深部圍巖(距巷道頂板9.52 m)最大主應(yīng)力為10 MPa，約為原巖應(yīng)力(7.2 MPa)的1.4倍，底板深部圍巖(距巷道頂板11.2 m)最大主應(yīng)力為26 MPa，約為原巖應(yīng)力的3.6倍；由圖4(c)可得， 203巷道頂、底板深部圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂板深部圍巖(距巷道頂板8.4 m)最大主應(yīng)力為10 MPa，約為原巖應(yīng)力的1.4倍，底板深部圍巖(距巷道頂板11.2 m)最大主應(yīng)力為18 MPa，約為原巖應(yīng)力的2.5倍。

由圖4(b)可得，201回風(fēng)巷和203回風(fēng)巷圍巖最大主應(yīng)力有近似相同的分布特征。201回風(fēng)巷與203回風(fēng)巷頂?shù)装迳畈?距巷道頂板5.6 m)均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力為10 MPa，約為原巖應(yīng)力的1.4倍；巷道周?chē)鷾\部圍巖最大主應(yīng)力為2 MPa，約為原巖應(yīng)力的0.25倍。

圖4 巷道穿斷層段與未穿斷層段圍巖最大主應(yīng)力分布形態(tài)

4 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)前文數(shù)值模擬研究結(jié)果可知，巷道過(guò)斷層位置頂板變形量較大，在現(xiàn)有的支護(hù)條件下若受到201工作面回采影響時(shí)存在冒頂風(fēng)險(xiǎn)；未過(guò)斷層位置巷道頂板變形量較小，現(xiàn)有的支護(hù)條件下受201工作面回采影響時(shí)頂板相對(duì)穩(wěn)定。為保證回采期間巷道的安全穩(wěn)定，需要在巷道過(guò)斷層頂板位置補(bǔ)打錨索，超前工作面影響范圍內(nèi)配合單體液壓支柱支護(hù)頂板。

4.1 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)建議

為對(duì)巷道進(jìn)行有效的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，分別模擬直徑為15.24 mm、17.8 mm和21.6 mm的三種錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果，綜合選取最優(yōu)支護(hù)方案。擬定超前工作面補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案見(jiàn)表3。

表3 超前工作面補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

4.2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果分析

1)巷道過(guò)斷層段

圖5所示為201回風(fēng)巷過(guò)斷層段超前工作面5 m位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)與原支護(hù)后頂板變形量曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出，選取不同直徑補(bǔ)強(qiáng)錨索效果存在差別：φ21.6 mm>φ17.8 mm>φ15.24 mm；頂板表面變形量減小明顯，自由端和錨固端變化較小。頂板具體變形減小量見(jiàn)表4。

表4 201回風(fēng)巷過(guò)斷層段超前工作面5 m位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)與原支護(hù)后頂板變形量

圖5 201回風(fēng)巷過(guò)斷層段超前5 m位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果分析

圖6所示為203回風(fēng)巷過(guò)斷層段超前工作面5 m位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)與原支護(hù)后頂板變形量曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出，選取不同直徑的補(bǔ)強(qiáng)錨索效果存在差別：φ21.6 mm>φ17.8 mm>φ15.24 mm。頂板表面變形量減小明顯，自由端和錨固端變化較小。頂板具體變形量見(jiàn)表5。

圖6 203回風(fēng)巷過(guò)斷層段超前5 m位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果分析

表5 203回風(fēng)巷過(guò)斷層段超前工作面5 m位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)與原支護(hù)后頂板變形量

2)巷道未過(guò)斷層段

圖7所示為201回風(fēng)巷和203回風(fēng)巷未過(guò)斷層段超前工作面5 m位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)與原支護(hù)后頂板表面變形量曲線(xiàn)圖。從圖中可以看出，采用DW30- 250/100單體液壓支柱超前支護(hù)時(shí)，頂板表面變形減小量較小。201回風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后頂板表面最大變形量減小0.286 mm；203回風(fēng)巷補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后頂板表面最大變形量減小0.0.101 mm。

圖7 巷道未過(guò)斷層段頂板表面超前5 m位置補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果分析

綜合分析對(duì)比過(guò)斷層段三種補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案和未過(guò)斷層段補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案的效果可知，過(guò)斷層段采用錨索配合單體液壓支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)可有效減小頂板表面下沉量，未過(guò)斷層段采用單體液壓支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)頂板下沉量減小較小。

(1)對(duì)于過(guò)斷層段巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果而言，頂板表面變形減小量>頂板自由端和錨固端變形減小量，補(bǔ)強(qiáng)錨索效果φ21.6 mm>φ17.8 mm>φ15.24 mm。

(2)對(duì)于未過(guò)斷層段巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果而言，頂板變形量未發(fā)生明顯減小，頂板在原支護(hù)條件小較為完整。

4.3 方案確定

為保證201工作面回采階段保證超前工作面影響范圍內(nèi)巷道頂板穩(wěn)定性，減輕工作面采動(dòng)超前支承壓力對(duì)巷道的影響，確保留巷達(dá)到較好的技術(shù)指標(biāo)，需對(duì)工作面前方進(jìn)行超前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

巷道過(guò)斷層位置頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案：頂板斷層位置補(bǔ)打一根φ17.8 mm×11 600 mm錨索，排距1.6 m，每孔3節(jié)MSCK2360型樹(shù)脂藥卷端頭錨固；超前支護(hù)范圍30 m，一個(gè)斷面架設(shè)四根DW30- 250/100單體液壓支柱，間距1.2 m，排距0.8 m。具體支護(hù)方案如圖8所示。

圖8 巷道過(guò)斷層段頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

巷道未過(guò)斷層位置頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案為：超前支護(hù)范圍為25 m，一個(gè)斷面架設(shè)三根DW30- 250/100單體液壓支柱，間距1.6 m，排距1.0 m。具體支護(hù)方案如圖9所示。

圖9 巷道未過(guò)斷層段頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

5 結(jié)論

(1)當(dāng)巷道穿過(guò)斷層段時(shí)，巷道頂?shù)装宕┻^(guò)斷層的位置變形量最大，未穿過(guò)斷層位置變形量較小，相較于頂?shù)装澹瑑蓭妥冃瘟枯^??；當(dāng)巷道未穿過(guò)斷層段時(shí)，巷道圍巖變形量差別較小，頂?shù)装逯胁课恢米冃瘟孔畲?，兩幫偏頂?shù)装逦恢米冃瘟孔畲蟆?/p>

(2)針對(duì)巷道過(guò)斷層段頂板變形量大的問(wèn)題，提出了三種補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，在考慮安全、經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工等綜合因素下確定補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案為：①巷道過(guò)斷層段，斷層位置補(bǔ)打一根φ17.8 mm×11 600 mm錨索，間距1.6 m，超前補(bǔ)強(qiáng)范圍為30 m，配合一個(gè)斷面架設(shè)三根DW30- 250/100單體液壓支柱，間排距1.2 m×0.8 m；② 巷道未過(guò)斷層段超前支護(hù)范圍為25 m，一個(gè)斷面架設(shè)三根DW30- 250/100單體液壓支柱，間排距1.2 m×1.0 m。