王愛軍

（山西陽城陽泰集團(tuán)白溝煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048100）

斷層是一種常見的地質(zhì)構(gòu)造，因斷層造成的煤巖層錯位、圍巖破碎及應(yīng)力集中等問題，給煤礦生產(chǎn)增加施工難度及安全風(fēng)險[1-2]。因此，掘進(jìn)或回采工作面過斷層前必須充分分析斷層特征、圍巖應(yīng)力分布及影響范圍，制定合理的過斷層方案，制定針對性的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，以確保安全過斷層。本文以白溝煤礦3300工作面回風(fēng)巷過F3斷層為例，分析斷層特征及應(yīng)力分布，制定針對性過斷層方案及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。

1 工程概況

白溝煤礦3300工作面位于礦井西部的33采區(qū)，回采3號煤層，煤層厚度3.6～6.3 m。直接頂為粉砂巖，均厚4.6 m；基本頂為砂質(zhì)泥巖，均厚8.5 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚6.8 m；基本底為粉砂巖，均厚7.3 m。煤巖層傾角3°～6°，整體呈南高北低的單斜構(gòu)造。3300工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)走向長度1360 m，巷道沿3號煤層頂板掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)支護(hù)，斷面為矩形，設(shè)計(jì)巷道規(guī)格為寬×高=4 m×3.6 m。3300工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)至860 m處揭露F3正斷層，斷層產(chǎn)狀為北偏東40°，傾角62°，落差5.2 m，斷層處煤厚4.3 m，煤層完全斷開，巷道沿3號煤層頂板掘進(jìn)至揭露斷層時已掘進(jìn)至斷層下盤的煤層底板砂質(zhì)泥巖內(nèi)，為此，需制定過斷層方案及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)形式。煤層頂、底板巖性物理特征見表1。

2 斷層區(qū)域應(yīng)力分布規(guī)律分析

2.1 數(shù)值模型的建立

數(shù)值模型采用FLAC3D軟件，選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，根據(jù)斷層附近3號煤層頂、底板巖性及厚度建立巖層模型，模型長度90 m，寬度45 m，高度55 m，X軸為煤巖層走向，Y軸為傾向，Z軸為頂?shù)装宕怪狈较?。為通過加載觀測斷層附近的應(yīng)力分布規(guī)律，將斷層位置設(shè)置在模型的中部，即X軸坐標(biāo)的45 m處，將底部設(shè)置為固定邊界條件，并將水平方向施加水平約束，然后根據(jù)上覆巖層自重，對模型頂部施加17.5 MPa垂直壓力，完成斷層區(qū)域原巖應(yīng)力模型的建立。建立的模型如圖1。

圖1 斷層區(qū)域原巖應(yīng)力模型

2.2 擾動模擬設(shè)置及結(jié)果分析

為分析掘進(jìn)擾動前后斷層附近應(yīng)力變化情況，首先根據(jù)初始加載應(yīng)力記錄斷層附近的應(yīng)力變化情況，并繪制應(yīng)力變化曲線圖如圖2所示。然后分析掘進(jìn)擾動下斷層區(qū)域應(yīng)力分布變化情況，設(shè)置X軸從左到右為巷道的掘進(jìn)方向，巷道設(shè)置為寬×高=4 m×3.6 m的矩形斷面，掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)度根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置為0.8 m，將每個循環(huán)的應(yīng)力變化整理出距離斷層不同位置處的應(yīng)力變化曲線圖，如圖3。

根據(jù)圖2可知，在初始加載應(yīng)力下，斷層處最大應(yīng)力值為23.2 MPa，斷層兩側(cè)隨距離變化呈迅速遞減趨勢。在距離斷層約20 m范圍內(nèi)，應(yīng)力變化梯度較大；距離斷層20 m以外，斷層對應(yīng)力變化影響變緩；至距離斷層30 m以外，應(yīng)力值基本保持穩(wěn)定。說明斷層對附近應(yīng)力影響較為明顯的范圍為斷層兩側(cè)30 m。

圖2 初始應(yīng)力下斷層附近應(yīng)力變化曲線圖

根據(jù)圖3可知，巷道掘進(jìn)后，按照斷層影響范圍30 m，從距離斷層30 m處開始每掘進(jìn)5 m記錄一次應(yīng)力變化。通過記錄曲線可知，不同距離所產(chǎn)生的應(yīng)力變化呈距離斷層越近應(yīng)力越大趨勢。掘進(jìn)至斷層中心位置處應(yīng)力值達(dá)到最大值30.2 MPa，相比于未掘進(jìn)前的初始應(yīng)力下增加7 MPa。由此分析受巷道掘進(jìn)擾動影響，斷層附近應(yīng)力進(jìn)一步增大，并根據(jù)應(yīng)力值變化規(guī)律可知，掘進(jìn)工作面距離斷層越近，應(yīng)力值增長速度越快。

圖 3 掘進(jìn)時不同測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

3 過斷層方案

3.1 掘進(jìn)工作面過斷層方案

過斷層必須從安全、高效、施工難度等方面進(jìn)行綜合考慮，以確定最佳過斷層方案。掘進(jìn)工作面常規(guī)過斷層方法分別有斷層中部直接穿過法、后退臥底法、后退挑頂法[3-8]。結(jié)合F3斷層特征分析，采用斷層中部直接穿過法存在前期破頂、后期托頂煤掘進(jìn)，將造成頂板難管理、工程難度較大且周期較長等問題。后退臥底法無法進(jìn)入斷層下盤的煤層內(nèi)，過F3斷層需掘進(jìn)至斷層下盤上部的煤層內(nèi)，且因斷層附近煤巖體破碎，不宜采用托頂煤過斷層。故需采用后退挑頂法過斷層，即后退至距離斷層一定位置處向煤層頂板方向掘進(jìn)，并將后退段巷道通過鋪底墊實(shí)，掘進(jìn)至揭露斷層后巷頂直接與斷層下盤的煤層頂板對接。后退挑頂過斷層法避免了托頂煤施工，且工程量小，安全系數(shù)高。

為確保后退挑頂法過斷層的成功實(shí)施，需根據(jù)斷層特征、挑頂坡度及相應(yīng)計(jì)算得出后退距離。根據(jù)F3斷層特征可知，斷層落差5.2 m，根據(jù)巷道使用需要，確定巷道挑頂坡度為12°，通過公式（1）即可計(jì)算后退距離：

S=h·ctgθ（1）

式中：S為需后退距離，m；h為斷層落差，取5.2 m；θ為挑頂坡度，取12°。

通過式（1）計(jì)算得知，需后退24.5 m，即距離斷層24.5 m處以+12°坡度挑頂施工，即可實(shí)現(xiàn)過斷層后巷頂與斷層下盤的煤層頂板對接。后退挑頂法過斷層方案示意圖如圖4。

圖4 后退挑頂法過斷層方案示意圖（m）

3.2 過斷層補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

根據(jù)斷層影響范圍及后退挑頂過斷層方案，需在距離斷層至少30 m處開始采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案。采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，方可在距離斷層24.5 m處挑頂施工。為確保安全起見，決定在距離斷層40 m處開始實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)+錨索補(bǔ)強(qiáng)+注漿加固的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，具體支護(hù)方案如下：

（1）錨網(wǎng)索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

3300工作面運(yùn)輸巷原支護(hù)形式為錨網(wǎng)支護(hù)，頂部錨桿為Ф20 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，幫部為Ф20 mm高強(qiáng)玻璃鋼錨桿，長度均為2 m，錨桿間排距為1 m×1 m。過斷層區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案為：頂部錨桿變更為Ф22 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，幫部錨桿變更為Ф22 mm高強(qiáng)玻璃鋼錨桿，長度均變更為2.4 m，錨桿間排距均縮小至0.8 m；頂部增加兩根補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)錨索，錨索采用Ф17.8 mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長度6.3 m，錨索施工位置為巷中偏兩側(cè)0.9 m處各布置一根，錨索排距1.6 m。

（2）注漿加固

注漿范圍為斷層兩側(cè)40 m范圍（同補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)范圍一致）。過斷層掘進(jìn)期間，滯后迎頭10 m以上開始實(shí)施注漿加固。注漿加固與掘進(jìn)平行作業(yè)，確保斷層附近破碎圍巖的及時膠結(jié)穩(wěn)固。漿液水灰比1.5:1，注漿孔深2 m，巷頂中部布置一個，巷頂兩側(cè)距幫0.5 m處各布置一個，排距1.6 m。注漿效果以斷面內(nèi)錨桿、錨索及頂、幫均勻滲出漿液后停止第一回次注漿，待漿液凝固48 h后實(shí)施第二回次注漿，直至注漿壓力達(dá)到4 MPa后停止注漿。

4 實(shí)踐效果分析

3300工作面回風(fēng)巷過F3斷層采取后退挑頂法過斷層方案及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案后，進(jìn)行現(xiàn)場觀測，過斷層期間未發(fā)生破碎圍巖冒落情況，過斷層后實(shí)現(xiàn)巷頂與斷層下盤的煤層頂板直接對接，避免托頂煤施工情況，實(shí)現(xiàn)了安全過斷層。此外，通過對過斷層補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)段每隔20 m建立一組礦壓觀測站，采用十字測量法觀測頂板下沉量、底板底鼓量、兩幫位移量，并擇取變形量最大一組測站根據(jù)觀測天數(shù)繪制變形量變化曲線圖，如圖5。

圖5 圍巖變形量變化曲線圖

根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，對過斷層段采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，掘進(jìn)后巷道前10 d內(nèi)圍巖變形量增幅較大，分析為掘進(jìn)擾動影響下應(yīng)力重新分布，圍巖在支護(hù)體支撐空間內(nèi)發(fā)生了短時的快速變形。10～40 d內(nèi)各類變形量增幅均有明顯減緩，80 d后各變形量均趨于穩(wěn)定，頂板最大下沉量穩(wěn)定在93 mm，煤柱幫最大位移量穩(wěn)定在97 mm，實(shí)體煤幫最大位移量穩(wěn)定在73 mm，最大底鼓量穩(wěn)定在81 mm，表明在補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)下，圍巖變形量已得到有效控制，巷道最大變形量在巷道支護(hù)體允許變形范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）通過對白溝煤礦3300工作面回風(fēng)巷揭露的F3斷層進(jìn)行數(shù)值模擬，得出斷層影響范圍為斷層兩側(cè)30 m，掘進(jìn)擾動下最大應(yīng)力達(dá)到30.2 MPa，距離斷層越近的區(qū)域應(yīng)力集中程度越高。

（2）采取的后退挑頂法過煤層完全斷開的正斷層具有工程量小、安全系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，避免了托頂煤過斷層，且層位安全對接準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)安全過斷層。

（3）采取的錨網(wǎng)支護(hù)+錨索補(bǔ)強(qiáng)+注漿加固支護(hù)方案能夠滿足過斷層段的支護(hù)要求，圍巖最大變形量僅97 mm，為巷道安全過斷層提供保障。