張小兵，潘夏輝

（1.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454003）

隨著我國煤炭開采深度的不斷增大，深埋巷道工程實例日益增多[1-4]。由于深埋巷道所處的高應(yīng)力環(huán)境，巷道圍巖在開挖后會表現(xiàn)出與淺部明顯不同的變形破壞特征，如非線性大變形、分區(qū)破裂等[5-7]。而當(dāng)深埋巷道開挖通過導(dǎo)水?dāng)鄬訕?gòu)造帶時，斷層巖體的軟弱性以及充水高壓性將進(jìn)一步惡化巷道周邊圍巖的力學(xué)行為變化特征[8-9]，易造成突水或坍塌事故，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

針對斷層影響下巷道圍巖的變形破壞特征，李躍文[10]、郝長勝[11]、謝俊[12]等借助數(shù)值模擬軟件對不同工程條件下巷道圍巖的應(yīng)力場、變形場以及塑性區(qū)展開分析研究，指出斷層構(gòu)造會造成巷道圍巖應(yīng)力分布不均，導(dǎo)致巷道頂板巖層裂隙較為發(fā)育且易垮落；在分析得到近斷層巷道圍巖變形破壞特征的基礎(chǔ)上，張念志[13]和王其洲[14]運用結(jié)構(gòu)補償原理，研究提出新型高強穩(wěn)定型支護(hù)技術(shù)方案；任超[15]、寧太勇[16]、胡雪奎[17]提出以超前預(yù)注漿、U 型鋼棚、分段不等強支護(hù)、關(guān)鍵部位錨索強化等綜合治理方法安全、快速通過斷層。這些研究成果幫助解決了巷道過斷層破碎帶施工危險與支護(hù)困難的難題，然而其研究對象大多是不含水?dāng)鄬踊驕\埋巷道，沒有考慮高應(yīng)力與高水壓耦合作用下圍巖的力學(xué)與滲透性質(zhì)變化問題[18]，難以對高水壓深埋巷道圍巖穩(wěn)定控制提供有效數(shù)據(jù)支撐。為此，以邢東煤礦一條過導(dǎo)水?dāng)鄬由盥裣锏罏楸尘埃紤]巖石破壞后的強度下降與滲透率突變問題，首先對無支護(hù)條件下斷層附近深埋巷道圍巖位移、塑性區(qū)、滲透系數(shù)以及涌水量變化規(guī)律展開數(shù)值模擬研究，然后在此基礎(chǔ)上提出“超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)控制對策[19-20]。

1 工程概況

邢東煤礦主采2#煤層平均厚度3.9 m，平均埋深1 038 m，側(cè)壓系數(shù)約為1.5；煤層直接頂板為厚3.34 m 的鋁土質(zhì)粉砂巖，其上為2.66 m 厚的粉細(xì)砂巖，再上則為10.14 m 厚的粉砂巖；煤層直接底板為3.5 m 厚的粉砂巖，往下為1.08 m 厚的薄煤層，再往下則為10.5 m 厚的粉砂巖。在該水平開拓工程中，2228 工作面運料巷長度262 m，沿著煤層底板掘進(jìn)，截面形狀為矩形，寬高分別為5.0、3.5 m。巷道掘進(jìn)期間遭遇1 處傾角為36°，傾向為134°，寬度為5.0 m，落差為5.0 m，水壓為8.7 MPa 的SF29斷層破碎帶，給巷道圍巖穩(wěn)定控制帶來巨大威脅。2228 工作面運料巷掘進(jìn)遭遇斷層示意圖如圖1。

圖1 2228 工作面運料巷掘進(jìn)遭遇斷層示意圖Fig.1 Schematic diagram for material roadway of 2228 working face through a fault

2 數(shù)值模擬模型

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)圣維南原理，采用FLAC3D建立的過斷層深埋巷道開挖數(shù)值模擬模型如圖2。

圖2 過斷層高應(yīng)力巷道開挖數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model for the excavation of high-stress roadway through a fault

該模型長、寬、高分別為60、54、33.5 m，共包含371 472 個網(wǎng)格節(jié)點和355 320 個單元。模型邊界條件設(shè)置為底面固定、前后法向位移約束、左右施加壓力36.0 MPa、頂面施加壓力24.0 MPa。模擬巷道開挖掘進(jìn)時，設(shè)置巷道每次掘進(jìn)距離為3 m 且令巷道表面水壓力為0。

2.2 圍巖本構(gòu)模型及參數(shù)設(shè)置

由于巖石在達(dá)到承載極限后，其強度會隨著塑性應(yīng)變的增大而逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定；但由于巖石內(nèi)摩擦角變化幅度很小，可以認(rèn)為基本不變[22]。因此，在設(shè)置巖石本構(gòu)模型為應(yīng)變軟化模型的條件下，可以認(rèn)為巖石在不同階段強度的變化主要表現(xiàn)為巖石黏聚力的變化。

此外，考慮斷層內(nèi)高壓水會向巷道發(fā)生滲透，設(shè)置巖石為各向同性滲透模型，但由于巖石出現(xiàn)破壞后，其微裂隙會大幅度擴(kuò)展而導(dǎo)致滲透系數(shù)提高，因此，采用式（1）來描述巖石的滲透率變化特征[23]：

式中：K 為巖石破壞后的滲透率；K0為巖石初始滲透率；α 為巖石體積應(yīng)變增透系數(shù)；εv為巖石體積應(yīng)變。

根據(jù)不同巖石的三軸壓縮以及滲透率測試結(jié)果[24-26]，取得的粉砂巖、粉細(xì)砂巖、煤巖及斷層巖體的物理、力學(xué)見表1，滲透參數(shù)見表2。

表1 巷道周邊巖層的物理、力學(xué)與滲透參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the roadway surrounding rocks

表2 巷道周邊巖層的滲透參數(shù)Table 2 Permeability parameters of the roadway surrounding rocks

3 高水壓斷層影響下深埋巷道變形破壞特征

3.1 變形特征

深埋巷道逐漸往高水壓斷層方向掘進(jìn)時，無支護(hù)條件下巷道圍巖的位移變化曲線如圖3。

由圖3（a）可知，受斷層傾向的影響，高水壓斷層對深埋巷道頂板位移的影響要明顯強于底板，主要表現(xiàn)為：隨著巷道的向前推進(jìn)，巷道頂板最大豎向位移將逐漸增大且增大速率越來越快，其在單進(jìn)尺內(nèi)（巷道掘進(jìn)面與斷層間距由12 m 縮減至9 m）的增長幅度可達(dá)到500 mm 以上；而巷道底板最大豎向位移則增長變化很小，其值穩(wěn)定在200 mm 左右。當(dāng)深埋巷道掘進(jìn)面與斷層間距等于12 m 時，巷道頂板將在斷層后方約12～18 m 的位置出現(xiàn)大約600 mm 的位移，意味著該范圍內(nèi)巖體已發(fā)生失穩(wěn)，將發(fā)生冒頂坍塌事故。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，高水壓導(dǎo)水?dāng)鄬訒璧K巷道開挖釋放的高應(yīng)力向深處傳遞，導(dǎo)致巷道圍巖在巷道與斷層之間產(chǎn)生附加應(yīng)力，且這種附加應(yīng)力隨著巷道與斷層間距的減小而不斷增大，因此，越靠近斷層位置的巖體，其在巷道開挖后產(chǎn)生的位移就越大，當(dāng)位移達(dá)到一定程度時，巖體就會因應(yīng)變過大而喪失穩(wěn)定。

圖3 深埋巷道向斷層掘進(jìn)過程中圍巖的位移變化曲線Fig.3 Displacement curves of surrounding rocks during the process of deep-buried roadway through a fault

由圖3（b）可以看出，隨著巷道的向前推進(jìn)，巷道兩幫巖體的水平位移將逐漸增大且增大速率越來越快；同時受斷層傾向的影響，巷道左右兩幫巖體水平位移分布表現(xiàn)出非對稱性，巷道左幫巖體的水平位移增長幅度要明顯大于右?guī)汀．?dāng)巷道掘進(jìn)面與斷層間距小于15 m 時，隨著巷道的向前掘進(jìn)，巷道左幫位于斷層后方12～21 m 以及右?guī)臀挥跀鄬雍蠓?～15 m 間的巖體水平位移將急劇增大，其單進(jìn)尺最大增長幅度分別為1 200、220 mm，說明這2 處位置巖體最容易在巷道后續(xù)掘進(jìn)過程中失穩(wěn)。

由圖3（c）可知，隨著深埋巷道掘進(jìn)面逐漸向高水壓斷層靠近，巷道掘進(jìn)面法向位移將逐漸增大，且增大幅度在掘進(jìn)面與斷層間距小于21 m 后愈加明顯。當(dāng)掘進(jìn)面與斷層間距由21 m 減小至18 m 時，巷道掘進(jìn)面法向位移將從215 mm 突增至576 mm，說明此時掘進(jìn)面處巖體已處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，需采取措施進(jìn)行處理以防止塌方。

綜上所述，當(dāng)深埋巷道掘進(jìn)面與高水壓斷層間距大于21 m 時，巷道頂?shù)装逡约皟蓭偷氖諗课灰品謩e為240、260 mm；但當(dāng)深埋巷道掘進(jìn)面與高水壓斷層間距小于21 m 時，巷道頂?shù)装?、兩幫以及掘進(jìn)面收斂位移則分別會達(dá)到560、750、570 mm 以上，嚴(yán)重影響巷道正常使用，甚至誘發(fā)冒頂、片幫或塌方事故。因此，為保證深埋巷道掘進(jìn)安全，需至少在巷道掘進(jìn)面與高水壓斷層間預(yù)留21 m 以上的巖體厚度，并對巷道前方巖體采取加固措施。

3.2 破壞特征

深埋巷道逐漸往高水壓斷層方向掘進(jìn)時，無支護(hù)條件下深埋巷道圍巖的塑性區(qū)深度分布如圖4。

圖4 深埋巷道向斷層掘進(jìn)過程中圍巖塑性區(qū)深度分布曲線Fig.4 Depth distribution curves of surrounding rock plastic zone during the process of deep-buried roadway through a fault

當(dāng)巷道掘進(jìn)工作面與斷層間距大于21 m 時，巷道圍巖塑性區(qū)深度隨巷道向前掘進(jìn)變化很小，其在巷道頂?shù)装濉蓭鸵约熬蜻M(jìn)工作面前方位置分別為3.3、2.5、3.0 m。而當(dāng)巷道掘進(jìn)工作面與斷層間距小于21 m 時，隨著巷道的向前掘進(jìn)，斷層附加水-巖應(yīng)力對巷道影響越來越明顯，導(dǎo)致巷道四周圍巖塑性區(qū)深度大大增加，尤其是巷道頂板、左幫以及掘進(jìn)面前方。當(dāng)巷道掘進(jìn)工作面與斷層間距為12 m 時，巷道圍巖在頂板、底板、左幫、右?guī)鸵约熬蜻M(jìn)面前方的最大塑性區(qū)深度分別為8.7、4.2、6.3、4.8、5.8 m，并出現(xiàn)在斷層后方約9～15、15～27、9～18、6～21、6.2 m 的位置。此時深埋巷道頂板以及左幫巖體的塑性區(qū)將與高水壓斷層連通，這意味著，此時巷道與斷層之間將會產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙通道，進(jìn)而斷層中的高壓水將大量涌向巷道，誘發(fā)突水事故。

3.3 突水特征

深埋巷道向高水壓斷層方向掘進(jìn)過程中圍巖的涌水量變化曲線如圖5。

圖5 深埋巷道向斷層掘進(jìn)過程中圍巖涌水量變化曲線Fig.5 Variation curves of water inflow from surrounding rocks during the process of deep-buried roadway through a fault

當(dāng)深埋巷道距斷層距離大于27 m 以上時，由于隔水層較厚，斷層內(nèi)高壓水向巷道的滲流速度相對緩慢，此時整個巷道內(nèi)涌水量要小于30 m3/h，巷道內(nèi)的排水設(shè)備能夠滿足正常排水的要求。隨著巷道掘進(jìn)面逐漸向斷層靠近，巷道與斷層之間的巖體破壞范圍逐漸加大，其滲透路徑大大縮短而滲透率大大增加，導(dǎo)致斷層向巷道內(nèi)的涌水量呈指數(shù)式增大；當(dāng)巷道掘進(jìn)面距斷層距離等于18 m 時，巷道整體涌水量將達(dá)到360 m3/h 以上，此時巷道的水就很難及時排出，存在極大的淹井風(fēng)險。從涌水量大小上看，巷道頂板、掘進(jìn)工作面、左幫、底板以及右?guī)陀克糠謩e占了整個巷道涌水量的48%、29%、14%、5%、4%，可見，巷道頂板是斷層內(nèi)高壓水向巷道發(fā)生突水的主要部位，其次是掘進(jìn)工作面和左幫。

無支護(hù)條件時深埋巷道不同推進(jìn)距離下斷層周邊巖體的滲透系數(shù)變化圖如圖6。

當(dāng)巷道掘進(jìn)工作面距斷層距離為21 m 時，巷道頂?shù)装逡约皟蓭蛧鷰r的塑性屈服面積相對較小且其破壞程度相對較輕，此時，巷道圍巖滲透系數(shù)僅在頂?shù)装逡约皟蓭蜏\部約2 m 的區(qū)域提高了0.5～1.0 倍左右。隨著巷道掘進(jìn)工作面向高水壓斷層的靠近，巷道掘進(jìn)工作面附近圍巖的塑性區(qū)范圍將逐漸擴(kuò)大并與斷層連通，同時其破壞程度亦趨嚴(yán)重（尤其是巷道頂板以及左幫），導(dǎo)致巷道頂板以及左幫塑性區(qū)范圍內(nèi)的巖體滲透系數(shù)大大增加，局部區(qū)域滲透系數(shù)增長可達(dá)20 倍以上，進(jìn)而斷層內(nèi)高壓水向巷道內(nèi)發(fā)生涌水的速度也急劇變大。

4 深埋巷道過高水壓斷層支護(hù)對策

4.1 深埋巷道過高水壓斷層支護(hù)方案

由上述高水壓斷層影響下深埋巷道的變形破壞特征分析結(jié)果可知：①當(dāng)巷道掘進(jìn)面距斷層距離大于21 m 時，無支護(hù)下巷道圍巖收斂位移、塑性區(qū)以及涌水量雖然能大致保持穩(wěn)定，但其值仍偏大，而且當(dāng)工作面回采時，受回采應(yīng)力的影響，其值必然還將進(jìn)一步增大而影響巷道使用；②當(dāng)巷道掘進(jìn)面距斷層距離小于21 m 時，隨著巷道的向前推進(jìn)，巷道圍巖必然會發(fā)生失穩(wěn)以及突水事故。

因此，為保證運料巷能安全順利通過SF29斷層破碎帶，擬對該巷道采取以下工程支護(hù)措施：

1）超前預(yù)注漿。對掘進(jìn)面前方50 m 進(jìn)行超前探水工作，如鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)鉆孔出水，則立即執(zhí)行“見水即注”方針，漿液先稀后稠，注漿終壓為18 MPa。同時在巷道掘進(jìn)至斷層30 m 時設(shè)置鉆場，對斷層破碎帶及其附近的含水巖層進(jìn)行預(yù)注漿加固，預(yù)注漿范圍為巷道兩側(cè)18 m。

2）對常規(guī)斷面進(jìn)行錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合支護(hù)。對遠(yuǎn)離斷層25 m 的深埋巷道常規(guī)斷面采用錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合支護(hù)，運料巷支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7。其中，頂板錨桿采用直徑22 mm，長度3.0 m，間排距0.7 m×0.8 m 的高強錨桿；頂板錨索采用桁架錨索與單體錨索交替聯(lián)合布置，桁架錨索采用直徑17.8 mm，總長9.5 m，錨固長度1.8 m，排距1.6 m，預(yù)緊力不低于140 kN 的高強預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單體錨索則采用直徑21.8 mm，總長8.8 m，錨固長度1.8 m，排距1.6 m，預(yù)緊力不低于140 kN 的高強預(yù)應(yīng)力鋼絞線，單體錨索與桁架錨索采用桁架進(jìn)行連接。幫部錨桿采用直徑18 mm，長度2.5 m，間排距0.7 m×0.8 m的猛螺紋鋼錨桿；幫錨索采用直徑17.8 mm，總長6.3 m，錨固長度1.8 m，排距1.6 m，預(yù)緊力不低于140 kN 的高強預(yù)應(yīng)力鋼絞線；每排布置的2 根幫部錨索采用槽鋼進(jìn)行連接。

圖7 運料巷支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the supporting structure of haul road

3）對關(guān)鍵部位采用“工字鋼棚+噴漿”進(jìn)行加強支護(hù)。對斷層破碎帶附近25 m 范圍內(nèi)的深埋巷道巖體除采用錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合支護(hù)外，再采用“工字鋼棚+噴漿”方式進(jìn)行二次加強支護(hù)，其中，工字鋼型號為12#，噴漿材料為噴射混凝土，厚度為100 mm。

4.2 支護(hù)后深埋巷道開挖變形破壞特征

為研究“超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)條件下高應(yīng)力巷道的開挖變形破壞特征，在此前模擬基礎(chǔ)上對巷道不同位置進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)模擬。由此取得的不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理、力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理、力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of different supporting structures

此外，考慮注漿可以有效提高加固范圍內(nèi)巖體的力學(xué)強度，采用式（2）來計算注漿加固巖體的物理、力學(xué)參數(shù)。

式中：T0、Tr分別為加固前、后巖石的力學(xué)參數(shù)值；n 為巖石孔隙率；S 為漿液力學(xué)參數(shù)值。

采用“超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)后，深埋巷道掘進(jìn)通過高水壓斷層過程中圍巖位移變化曲線如圖8。

圖8 聯(lián)合支護(hù)后斷層附近巷道圍巖位移變化曲線Fig.8 Displacement curves of roadway surrounding rocks near the fault after combined supports

由圖8 可以看出，聯(lián)合支護(hù)后巷道頂?shù)装逡约皟蓭鸵廊粫跀鄬痈浇霈F(xiàn)最大的位移，但它們的值卻都能夠在巷道開挖過程中最終趨于穩(wěn)定。其中巷道頂?shù)装遄罱K收斂位移為80～90 mm，而兩幫收斂位移則為80～110 m，比無支護(hù)條件下至少減少了60%。可見，“超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)能夠有效控制高水壓斷層附近巷道圍巖的變形。

采用“超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)后，深埋巷道掘進(jìn)通過高水壓斷層過程中圍巖塑性區(qū)深度變化曲線如圖9。

圖9 聯(lián)合支護(hù)后斷層附近巷道圍巖塑性區(qū)深度變化曲線Fig.9 Depth distribution curves for surrounding rock plastic zone of roadway near the fault after combined supports

由圖9 可以看出，聯(lián)合支護(hù)后巷道頂?shù)装逅苄詤^(qū)深度在斷層位置約為3.2 m，在其余位置則約為2.2 m；巷道兩幫塑性區(qū)深度在斷層位置約為1.8 m，在其余位置則約為1.3 m。相比無支護(hù)條件，巷道圍巖塑性區(qū)性深度減小了至少50%以上，這說明，聯(lián)合支護(hù)后斷層附近巷道圍巖承載能力以及受力條件得到了極大改善，其破壞范圍和破壞程度大大減小，圍巖穩(wěn)定性明顯增強。

采用“超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)后，深埋巷道掘進(jìn)通過高水壓斷層過程中圍巖涌水量變化曲線如圖10。

圖10 聯(lián)合支護(hù)后斷層附近巷道圍巖涌水量變化曲線Fig.10 Variation curves of water inflow from surrounding rocks of roadway near the fault after combined supports

由于超前預(yù)注漿封閉了巷道與斷層之間巖體以及斷層破碎帶本身的導(dǎo)水原生裂隙，使得巷道圍巖滲透系數(shù)大大降低，因此，相比于無支護(hù)條件，巷道圍巖涌水量也大大降低，當(dāng)巷道掘進(jìn)面距斷層30 m時，巷道圍巖涌水量為0.46 m3/h。隨著巷道向斷層方向的逐漸推進(jìn)，由于巷道表面滲水面積逐漸擴(kuò)大，同時巷道開挖導(dǎo)致淺部圍巖發(fā)生破壞，圍巖滲透系數(shù)又將有所提高。因此，掘進(jìn)面距高水壓斷層越近，巷道涌水量增長幅度越大；隨著掘進(jìn)面的逐漸遠(yuǎn)離，巷道涌水量增長速率又逐漸減小，最終整個巷道涌水量將穩(wěn)定在16 m3/h 左右。由此可知，采用聯(lián)合支護(hù)也能夠有效防止深埋巷道過高水壓斷層時突水事故的發(fā)生。

5 結(jié) 論

1）當(dāng)深埋巷道掘進(jìn)面距高水壓斷層小于21 m，隨著巷道的向前掘進(jìn)，無支護(hù)條件下巷道頂?shù)装濉蓭鸵约熬蜻M(jìn)面位移將呈指數(shù)式增大，并且斷層后方12～21 m 的頂板以及左幫部位是巷道圍巖首先失穩(wěn)的區(qū)域。

2）深埋巷道掘進(jìn)面距高水壓斷層間距為12 m時，無支護(hù)條件下巷道圍巖在頂板以及左幫的最大塑性區(qū)深度分別為8.7、6.3 m，此時，巷道頂板以及左幫巖體塑性區(qū)將與高斷層連通形成導(dǎo)水裂隙通道，誘發(fā)突水事故。

3）隨著巷道的向前推進(jìn)，無支護(hù)條件下深埋巷道頂板、掘進(jìn)面及左幫涌水量將分別占整個巷道涌水量的48%、29%、14%，說明巷道頂板是斷層內(nèi)高壓水向巷道發(fā)生突水的主要部位。

4）采用“超前預(yù)注漿+錨網(wǎng)梁+錨索+工字鋼棚+噴漿”聯(lián)合支護(hù)后，高水壓斷層附近巷道圍巖的收斂位移、塑性區(qū)深度以及涌水量將分別被控制在110 mm、3.2 m 以及16 m3/h 以內(nèi)。