姚智康，魚智元

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司象山礦井，陜西 渭南 715400)

0 引言

巷道掘進期間不可避免地要穿越斷層等地質(zhì)構(gòu)造，嚴(yán)重制約了采掘工作面安全生產(chǎn)[1-3]。斷層上下盤巖層相對位移導(dǎo)致其周圍一定范圍內(nèi)煤巖層完整性降低、破碎程度增大、強度降低，導(dǎo)致煤巖體承載能力和穩(wěn)定性嚴(yán)重降低[4-7]。受采掘擾動前，斷層上下盤巖層雖存在應(yīng)力集中但整體結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)；受采掘擾動后，斷層附近圍巖原本的平衡狀態(tài)被打破，斷層上下盤巖層應(yīng)力集中程度顯著增加，導(dǎo)致巷道過斷層期間極易發(fā)生掉頂、底鼓和片幫現(xiàn)象[8-9]。

為確保掘進巷道安全、高效地穿過斷層，提高巷道圍巖穩(wěn)定和支護效果，武云光[10]基于三交河煤礦1041巷過斷層時巷道圍巖變形特征，提出“注漿加固+錨桿索聯(lián)合支護”的巷道過斷層圍巖控制方案。王立新[11]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法，分析了8102-3工作面回采至斷層破碎帶時巷道圍巖變形特征，提出了“注漿加固+優(yōu)化支護”的圍巖控制措施。張建超等[12]通過對上灣煤礦運輸大巷過斷層期間圍巖應(yīng)力和變形特征的分析，采用“密集錨索+反底拱全斷面錨桿支護”技術(shù)確保了巷道圍巖穩(wěn)定?；谏鲜鲅芯砍晒?，以5301回風(fēng)巷過斷層破碎帶為研究對象，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對比分析了巷道掘進正常段和過斷層段的圍巖應(yīng)力和變形特征，提出“超前注漿+錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護”的巷道過斷層圍巖控制技術(shù)，現(xiàn)場實測效果良好。

1 工程概況

21510工作面位于象山煤礦5號煤層南一采區(qū)，北為采區(qū)大巷，南為F26斷層保護煤柱，南為井田邊界，北為實體煤。工作面煤層埋深273.15～384.29 m，平均埋深328.72 m；煤層厚度2.85～4.32 m，平均厚度3.26 m；煤層傾角3°～6°，平均傾角4°；工作面煤層為單斜構(gòu)造，內(nèi)部節(jié)理、裂隙發(fā)育，賦存穩(wěn)定。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Coal seam roof and floor conditions

21510回風(fēng)巷沿5號煤層底板掘進，設(shè)計長度1 024.62 m，巷道采用矩形斷面，斷面尺寸為4 900 mm×2 800 mm(寬×高)。21510回風(fēng)巷在掘進至326 m時揭露DF12正斷層，根據(jù)地測資料知，DF12正斷層，傾角36°，傾向285°，落差為8 m，斷層對巷道影響范圍約為58 m。21510回風(fēng)巷過DF12斷層剖面如圖1所示。

圖1 21510回風(fēng)巷過DF12斷層剖面示意Fig.1 Schematic diagram of the cross section of the 21510 return airway passing through the DF12 fault

2 巷道過斷層破碎帶圍巖變形數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立及模擬方案

根據(jù)21510回風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)資料，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立尺寸為100 m×50 m×50 m(長×寬×高)的三維數(shù)值計算模型。模型左右界面限制X方向位移，前后界面限制Y方向位移，底部界面限制Z方向位移，頂部界面施加7.64 MPa的均布載荷等效上覆巖層重力(按照埋深328.72 m，上覆巖層平均容重23.25 kN/m3計算)。巷道中心線5 m附近網(wǎng)格大小為0.5 m×0.5 m×0.5 m，其余區(qū)域網(wǎng)格大小為1.0 m×1.0 m×1.0 m。采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則進行計算。斷層及其上下盤圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖層及斷層基本物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Basic physical and mechanical parameters of coal strata and faults

為探究斷層破碎帶對掘進巷道圍巖應(yīng)力及變形影響特征，分別對巷道過斷層掘進和無斷層掘進2種方案進行模擬研究。巷道掘進過斷層時采用強過斷層的方式，即巷道掘進揭露斷層前沿煤層底板掘進，在過斷層期間采用留部分底煤并割頂?shù)姆绞剑蓴鄬酉卤P前推至斷層上盤，過斷層后逐漸轉(zhuǎn)向煤層底板掘進。

2.2 不同地質(zhì)條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布特征

巷道正常段掘進和過斷層期間圍巖垂直應(yīng)力分布特征分別如圖2(a)和圖2(b)所示。由圖2(a)可知，巷道在正常段掘進期間，隨著掘進工作面推進，巷道頂板巖層壓力向巷道周邊圍巖轉(zhuǎn)移并在超前掘進工作面15m范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū)，導(dǎo)致超前應(yīng)力產(chǎn)生。在巷道過斷層破碎帶時，受斷層上下盤應(yīng)力異常積聚的影響，巷道掘進工作面及斷層側(cè)均形成應(yīng)力集中區(qū)，即巷道掘進所產(chǎn)生的擾動打破了斷層破碎帶內(nèi)原本穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致斷層活動增強，增大了掘進擾動應(yīng)力場影響范圍，為巷道圍巖控制帶來負面影響，如圖2(b)所示。

圖2 不同地質(zhì)條件下掘進巷道圍巖垂直應(yīng)力分布Fig.2 Vertical stress distribution of surrounding rock of tunneling roadway under different geological conditions

2.3 不同地質(zhì)條件下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

巷道正常段掘進和過斷層破碎帶圍巖塑性區(qū)分布特征分別如圖3(a)和圖3(b)所示。由圖3(a)可知，巷道在正常段掘進時，塑性破壞區(qū)主要分布在巷道頂?shù)装鍘r層及掘進迎頭前方約5 m范圍內(nèi)，塑性破壞區(qū)分布范圍較小。巷道過斷層破碎帶時，塑性破壞區(qū)分布范圍較正常段掘進時顯著增大，即塑性破壞區(qū)不僅在巷道頂?shù)装鍘r層和掘進迎頭前方有分布，且在掘進迎頭先前延伸至斷層另一側(cè)，表明隨著掘進工作面不斷接近斷層，巷道掘進所產(chǎn)生的擾動導(dǎo)致位于斷層下盤巷道頂板巖層的垮落，斷層上盤巖層受應(yīng)力轉(zhuǎn)移的影響發(fā)生塑性破壞，增加了巷道過斷層期間圍巖控制難度。

圖3 不同地質(zhì)條件下掘進巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.3 Distribution of surrounding rock plastic zone of tunneling roadway under different geological conditions

3 過斷層破碎帶巷道圍巖控制方案

3.1 超前注漿

根據(jù)地測資料知，DF12斷層對21510回風(fēng)巷影響范圍約為52 m，故在巷道掘進至斷層前后30 m范圍內(nèi)采用超前注漿的方式對巷道頂板圍巖進行加固，具體措施為：在距巷道頂板300 mm處施工1排(3個)超前注漿鉆孔，鉆孔直徑42 mm，仰角50°，孔深5 000 mm，孔間距2 000 mm。注漿鉆孔終孔位于巷道基本頂巖層內(nèi)。注漿材料選擇P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.8∶1，注漿壓力為8 MPa，封孔長度為1 200 mm，注漿完成2 h后開始掘進巷道，向前掘進2 500 mm后進行下一循環(huán)注漿。

3.2 支護方案設(shè)計

根據(jù)工作面實際生產(chǎn)條件和巷道過斷層期間圍巖變形特征，提出采用“錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護方式對巷道圍巖進行控制。同時考慮到巷道過斷層破碎帶期間，圍巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育，巷道頂板滲水嚴(yán)重，采用常規(guī)錨桿時極易因銹蝕而導(dǎo)致錨桿失效的情況，21510回風(fēng)巷過斷層期間頂板錨桿選用φ22 mm×2 400 mm鍍鋅錨桿，間排距為900 mm×900 mm，兩側(cè)錨桿距巷幫200 mm，仰角75°布置，中間3根錨桿垂直頂板布置。錨索采用φ22 mm×7 000 mm的高強度鋼絞線錨索，間排距為2 000 mm×2 000 mm，并采用礦用工字鋼梁進行補強。錨索托盤選用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的矩形碳素鋼板托盤。巷道兩幫錨桿均選用φ20 mm×2 000 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×900 mm，每排布置4根，上下2根錨桿分別距頂板和底板300 mm，所有幫錨桿均垂直于巷幫布置。頂錨桿和幫錨桿托盤分別選用規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm和100 mm×100 mm×10 mm的矩形335#鋼托盤。21510回風(fēng)巷過DF12斷層破碎帶期間支護斷面如圖4所示。

圖4 巷道支護斷面Fig.4 Roadway support section

4 巷道圍巖控制效果評價

巷道頂板離層量和表面位移是定量表征圍巖控制效果的關(guān)鍵參數(shù)。為評估21510回風(fēng)巷過DF12斷層破碎帶時的圍巖控制效果，在巷道過斷層期間，分別在斷層前、后和斷層處布置1#、2#和3#測站，測站間距30 m，每個測站布置一臺頂板離層觀測儀和一臺巷道圍巖表面位移傳感器。監(jiān)測結(jié)果顯示，2#測站頂板離層儀的讀數(shù)最大，淺部基點讀數(shù)為7.5 mm，深部基點讀數(shù)為13.5 mm，表明巷道頂板離層得到有效控制。3個測站所觀測到的巷道表面位移曲線變化趨勢基本一致，但2#測站所觀測數(shù)據(jù)峰值最大，2#測站所觀測到的巷道表面位移如圖5所示。由圖5可知，在為期30 d的觀測時間內(nèi)，巷道左幫最大位移量為7.12 mm，右?guī)妥畲笪灰屏繛?0.57 mm，頂板最大下沉量為18.78 mm，底鼓量最大值為1.41 mm，可見21510回風(fēng)巷過DF12斷層破碎帶時采用“超前注漿+錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護”對巷道圍巖控制效果顯著，確保了過斷層巷道圍巖穩(wěn)定。

圖5 斷層處巷道圍巖表面位移Fig.5 Surface displacement of surrounding rock of roadway at fault

5 結(jié)語

(1)基于21510回風(fēng)巷的實際生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究了巷道掘進正常段和過斷層破碎帶時圍巖應(yīng)力和變形特征，結(jié)果表明，巷道正常段掘進時，超前集中壓力分布范圍為工作面前方15 m，塑性區(qū)主要分布在巷道頂?shù)装搴凸ぷ髅媲胺? m范圍內(nèi)；巷道過斷層期間，巷道工作面及斷層側(cè)均形成應(yīng)力集中區(qū)，塑性破壞區(qū)分布范圍顯著增大，且向工作面前方延伸至斷層另一側(cè)。

(2)結(jié)合21510回風(fēng)巷過斷層破碎帶時圍巖應(yīng)力及變形特征研究成果，提出“超前注漿+錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護”的巷道過斷層圍巖控制方案。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，21510回風(fēng)巷過DF12斷層破碎帶期間，巷道頂板淺部離層量為7.5 mm，深部離層量為13.5 mm，巷道左幫和右?guī)妥畲笪灰屏糠謩e為7.12 mm和10.57 mm，最大頂板下沉量和最大底鼓量分別為18.78 mm和1.41 mm，巷道圍巖控制效果顯著。