王 鑫

（陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

引言

斷層是煤礦采掘生產(chǎn)活動中最常見、安全隱患較大的地質(zhì)構(gòu)造，尤其是對掘進工作面影響較大，斷層的產(chǎn)狀、落差大小、賦存狀態(tài)及巷道布置形式對支護的要求各不相同[1]。斷層附近往往存在應(yīng)力集中與變形的圍巖結(jié)構(gòu)，并耦合瓦斯突出、地壓、冒頂片幫、巷道失穩(wěn)等瓦斯地質(zhì)災(zāi)害，給煤礦安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。特別是在斷層構(gòu)造較多、較大的區(qū)域，極易出現(xiàn)斷層組構(gòu)造，巷道圍巖煤巖體受斷層切割作用呈現(xiàn)斷裂破碎帶狀態(tài)，尤其斷層群集中區(qū)域。隨工作面不斷向斷層群推進，工作面采動應(yīng)力分布明顯受斷層群影響，斷層破碎帶阻礙應(yīng)力向前繼續(xù)傳遞，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象。一旦應(yīng)力集中程度超越煤巖體承受極限，極易發(fā)生災(zāi)難性動力災(zāi)害事故，因此工作面多斷層賦存區(qū)域必須加強支護，確保安全生產(chǎn)[2-4]。

1 工程概況

陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司位于山西省壽陽縣，井田面積為27.903 km2。井田內(nèi)主要含煤地層為山西組和太原組，共包含煤層17層，現(xiàn)階段該公司主采3號和9號煤，其中9號煤層位于太原組上部，其西南厚東北薄，分叉區(qū)也是西厚東薄，結(jié)構(gòu)簡單至復(fù)雜，含夾石0～4層，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖，厚0.08～0.75 m，一般小于0.20 m。

由于礦井為煤與瓦斯突出礦井，為解決瓦斯突出問題，9號煤工作面采用“U+L”型布置方式，即進回風(fēng)巷和高低抽巷，其中進回風(fēng)巷為全煤巷道，均沿9號煤層頂板布置，9號煤層開采受石炭系頂板含水層水害的危險性不大，上部砂巖含水層裂隙水和采空區(qū)積水可能形成礦井涌水，具有一定影響，但不會威脅礦井安全。

9704工作面位于9號煤層七采區(qū)東翼中部，該面在七采區(qū)系統(tǒng)大巷東側(cè)，南部為9703設(shè)計工作面，北部為9705采空區(qū)，東部緊靠該公司礦界。9704進風(fēng)巷與9706回風(fēng)巷雙巷掘進，其中9703回風(fēng)巷長度為2 380 m，斷面荒寬5.0 m、高3.1 m，荒斷面積15.5 m2。

根據(jù)9703回風(fēng)巷道實揭資料，五橫貫繼續(xù)向南掘進18.5 m分別揭露9704進風(fēng)巷延伸正斷層，預(yù)計繼續(xù)向西掘進6 m、20 m分別揭露9703回風(fēng)巷延伸正斷層，斷層參數(shù)分別如下：一組走向為北偏西70°、傾向為北東向，傾角小于60°，落差H為3.5 m；二組走向為北偏西72°、傾向為北東向，傾角小于66°，落差H為5 m。正斷層附近頂板破碎，煤層節(jié)理發(fā)育，瓦斯量可能出現(xiàn)異常，預(yù)計瓦斯含量為5.0～6.0 m3/t。9703回風(fēng)巷斷層組位置示意圖，如圖1所示。

圖1 9703回風(fēng)巷斷層組位置示意圖

2 斷層對巷道頂板穩(wěn)定性的影響

斷層是一種常見的地質(zhì)構(gòu)造，本質(zhì)是煤巖體發(fā)生斷裂后沿著一個平面發(fā)生相對錯動，這個滑動平面也叫作斷層面。由于斷層上下盤相對錯動，破壞了煤巖體原本的應(yīng)力平衡狀態(tài)及整體完整性，同時會造成斷層帶附近煤巖體局部較破碎。斷層破碎帶會阻礙工作面支承壓力的正常傳遞，造成斷層附近應(yīng)力集中。

若斷層傳遞載荷能力相對較差，巷道上覆巖層上覆載荷均由巷道支護承載，掘進工作面斷層附近頂板及兩幫應(yīng)力集中相對明顯，隨著斷層落差及揭露面不斷增加，斷層集中應(yīng)力隨時會釋放，極有可能誘發(fā)冒頂、片幫等動力災(zāi)害。特別是針對掘進巷道過斷層組，掘進工作面穿過第一條斷層后，斷層組中部上盤基本頂破斷形成鉸接結(jié)構(gòu)，此時，巷道基本頂和老頂應(yīng)力載荷基本上由兩個斷層面鉸接承載。根據(jù)“砌體梁”理論，此時巷道上覆巖層破斷形成斷塊，形成的斷塊則與巷道上覆巖層破斷斷塊相互作用形成基本力學(xué)結(jié)構(gòu)，斷塊力學(xué)結(jié)構(gòu)的一部分力作用于巷道支護承載物上，另一部分則通過力學(xué)結(jié)構(gòu)傳遞至斷層面及斷層附近實體煤上，必須對斷層組構(gòu)造結(jié)構(gòu)進行詳細分析，研究分析合理的巷道支護形式，保證巷道在掘進和工作面開采期間的穩(wěn)定性。9703回風(fēng)巷斷層組剖面圖，如圖2所示。

圖2 9703回風(fēng)巷斷層組剖面圖

3 巷道支護參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)以上分析，由于斷層界面平滑，摩擦力小，巷道穿越斷層時形成的斷塊主要作用于巷道支護承載物上，造成巷道穿越斷層期間上覆巖層極不穩(wěn)定。根據(jù)9703回風(fēng)巷掘進工作面的現(xiàn)場條件，確定以錨桿、錨索、鐵棚聯(lián)合支護，具體方案如下：首先，縮短掘進排距，由原先的1.2 m縮短至0.9 m，減小空頂距，確保斷層活動塊處于較小范圍內(nèi)；其次，9703回風(fēng)巷穿越斷層過程中，圍巖破碎導(dǎo)致維護困難，支護初期采用高強錨桿、錨索、W型鋼帶及金屬網(wǎng)組合支護形成群錨效應(yīng)，并及時根據(jù)巖性、圍巖破裂程度及賦存狀態(tài)，靈活調(diào)整錨索錨固長度，保證聯(lián)合支護系統(tǒng)的安全可靠，也保證巷道圍巖短期內(nèi)的穩(wěn)定；最后，由于斷層面過于光滑，為確保巷道圍巖失穩(wěn)，采用錨桿、錨索、W型鋼帶、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護后，及時支設(shè)29U型棚，確保其對上覆圍巖的支撐作用，具體支護形式如下：

1）9703回風(fēng)巷穿越斷層期間，頂板托煤厚度不超過3 m時，排排鋼帶、全錨索聯(lián)合支護。布置方式為每排使用4.8mW型鋼帶，其上布置2根Φ21.6mm×8 200 mm錨索、3根Φ17.8 mm×6 200 mm錨索（6.2m錨索+8.2 m錨索+6.2 m錨索+8.2 m錨索+6.2 m錨索），錨索間距為1.1 m，排距0.8 m。幫錨桿每幫布置3根Φ20 mm×2 000 mm錨桿（鋼號335），間距為第1根至頂0.4 m、第2根距第1根1.1 m、第3根距第2根1.1 m，每幫各掛2片幫網(wǎng)，幫錨桿排距0.8 m。

2）9703回風(fēng)巷穿越斷層期間，托煤厚度為3～5 m時，布置方式為排排鋼帶、全錨索聯(lián)合支護。具體布置方式為每排使用4.8 m W型鋼帶，鋼帶上布置5根Φ21.6 mm×8 200 mm錨索，錨索間距為1.1 m，排距0.8 m。幫錨桿每幫布置3根Φ20 mm×2 000 mm錨桿（鋼號335），間距為第1根至頂0.4 m、第2根距第1根1.1 m、第3根距第2根1.1 m，每幫各掛2片幫網(wǎng)，幫錨桿排距0.9 m。

永久支護完成后，支設(shè)29U型鐵棚進行加強支護，棚距0.8 m。支設(shè)鐵棚時，柱窩深度不小于20 cm，要用鎬配合風(fēng)鎬根據(jù)設(shè)計深度挖掘柱窩，人員協(xié)調(diào)配合作業(yè)并有專人進行監(jiān)護。支棚必須支設(shè)平穩(wěn)，不得歪斜。棚腿應(yīng)支設(shè)在實底上，如果底軟不能支在實底上時，必須使用柱鞋支墊，對于二牛背及接頂不嚴處要用規(guī)格為1.2 m的板木進行構(gòu)頂、盤幫，并按要求構(gòu)盤嚴實，構(gòu)頂要用板木接頂，梁頭不實時用木楔打緊背牢，過斷層期間支設(shè)的梯形棚最多允許滯后一排，確保巷道上層破斷塊處于穩(wěn)定狀態(tài)。9703回風(fēng)巷穿越斷層期間永久支護示意圖，如圖3所示。

圖3 9703回風(fēng)巷穿越斷層期間永久支護示意圖（單位：mm）

4 支護效果

為檢測9703回風(fēng)巷聯(lián)合支護巷道變形效果，必須對巷道圍巖變形狀況進行監(jiān)控，確保掘進、回采期間安全生產(chǎn)。采用十字布點法進行巷道圍巖變形監(jiān)測，在斷層組中部布置1個測站，觀測點在巷道掘出后及時布設(shè)。

從下頁圖4可以看出，巷道掘出后，兩幫及頂?shù)装逡平坑兴黾?，尤其是巷道兩幫變形直至掘進工作面超前50 m后，才趨向穩(wěn)定，移近速度幾乎為零，最大變形量為150 mm；頂?shù)装遄冃瘟枯^兩幫變形量小，最大變形僅為70 mm，頂?shù)装寮皟蓭妥冃渭性谙锏谰蜻M15 m范圍內(nèi)，超過15 m后，巷道圍巖還存在變形但變形速率明顯降低，之后趨向穩(wěn)定，移近速度逐漸變?yōu)?，最終頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在可控范圍內(nèi)。說明9703回風(fēng)巷穿越斷層組采取的支護方式較合理，可以及時阻止斷層破斷塊沿斷層面滑動，斷層組中部上盤基本頂破斷塊可以在巷道支護承載及巖塊鉸接結(jié)構(gòu)的共同作用下保持穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖變形可以得到有效控制，可以滿足安全生產(chǎn)需要。

圖4 工作面后方圍巖變形與掌頭距離關(guān)系圖

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場調(diào)研及理論分析，掘進巷道穿越斷層組時，斷層組中部上盤頂板破斷形成鉸接結(jié)構(gòu)，巷道上覆巖塊應(yīng)力載荷基本上由兩個斷層面鉸接結(jié)構(gòu)及巷道支護承載，由于斷層面過于光滑，采用錨桿、錨索、W型鋼帶、金屬網(wǎng)、29U型鐵棚聯(lián)合支護，確保支護對上覆圍巖的及時主動支撐作用。礦壓監(jiān)測結(jié)果表明，聯(lián)合支護方案在很大程度上能及時確保巷道圍巖的穩(wěn)定性，將巷道圍巖的變形量控制在可控范圍內(nèi)。證明穿越斷層組期間，聯(lián)合支護方案對控制巷道圍巖變形是有效的，對類似地質(zhì)條件下的巷道圍巖控制也起到了參考作用。