巷道過(guò)斷層段圍巖穩(wěn)定性分析及支護(hù)技術(shù)研究

霍衛(wèi)星

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

0 引言

由于我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道受到各種地質(zhì)構(gòu)造的影響，在巷道掘進(jìn)過(guò)斷層區(qū)域由于圍巖條件較差，巷道的支護(hù)上存在著難支護(hù)、成本高、危險(xiǎn)性大等問(wèn)題，這便嚴(yán)重的影響著巷道的掘進(jìn)速度，針對(duì)斷層構(gòu)造對(duì)巷道的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究，如尹立明、郭惟嘉等學(xué)者[1]通過(guò)運(yùn)用ANSYS數(shù)值模擬軟件結(jié)合相似模擬試驗(yàn)的研究方法，分析了回采動(dòng)壓影響下斷層區(qū)域上覆巖層的變形破壞特點(diǎn)及礦壓分布規(guī)律，根據(jù)研究結(jié)果表明：回采動(dòng)壓影響下，斷層會(huì)活化，斷層區(qū)域內(nèi)的上覆巖體表現(xiàn)為頂板冒落高度達(dá)、周期斷裂步距小及頂板穩(wěn)定性差的特點(diǎn)；如王玉玨，王元明等人[2]通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐觀測(cè)的方法對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)與斷層破碎帶產(chǎn)狀之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析，為巷道過(guò)斷層區(qū)域的的支護(hù)形式提供了合理可靠的參考。本文主要通過(guò)分析斷層對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，并結(jié)合2-208工作面運(yùn)輸巷變形的具體情況，對(duì)巷道過(guò)斷層區(qū)域的支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，并進(jìn)行礦壓觀測(cè)驗(yàn)證支護(hù)效果。

1 工程概況

某礦2-208工作面位于二采區(qū)，主采2#煤層，煤層均厚4.1m，煤層上方直接頂為泥巖，均厚為3.0m，基本頂為細(xì)砂巖，均厚為7.2m，直接底為泥巖，均厚為4.5m，老底為中砂巖，均厚為6.5m，2-208工作面運(yùn)輸巷沿2#煤層掘進(jìn)，據(jù)相鄰巷道揭露及三維地震資料顯示：工作面范圍內(nèi)F1162斷層橫穿工作面，其在工作面內(nèi)延伸的長(zhǎng)度約為320m，斷層的落差為7m，傾角為60°，運(yùn)輸順槽在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)揭露該斷層。巷道原本設(shè)計(jì)在掘進(jìn)過(guò)斷層時(shí)采用的支護(hù)形式為U型棚支護(hù)，棚距為650mm，棚腿與底板間的夾角為85°，具體支護(hù)參數(shù)如圖1所示，在巷道當(dāng)掘進(jìn)至該斷層位置時(shí)，巷道在采用原有的巷道斷層的支護(hù)方案時(shí)出現(xiàn)U型鋼扭曲失穩(wěn)，空頂區(qū)域頂板冒落及棚腿彎曲現(xiàn)象，為保證巷道圍巖的穩(wěn)定，需在巷道過(guò)斷層段采取進(jìn)一步的補(bǔ)強(qiáng)加固措施。

2 斷層對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響

當(dāng)巷道開(kāi)挖后，巷道塑性區(qū)的半徑會(huì)隨著巷道的掘進(jìn)而逐漸增大，當(dāng)斷層面與塑性區(qū)相交時(shí)，斷層對(duì)巷道圍巖的影響便會(huì)很大，具體塑性區(qū)與斷層幾何關(guān)系曲線如圖2所示，圖中R為塑性區(qū)半徑，m為斷層最大影響塑性區(qū)的范圍，φ為斷層面與水平方向的夾角。

圖1 2-208工作面運(yùn)輸巷過(guò)陷落柱段原有支護(hù)斷面圖

圖2 塑性區(qū)與斷層幾何關(guān)系圖

根據(jù)圖1中斷層與塑性區(qū)之間的幾何關(guān)系能夠得出：

根據(jù)式（1）并結(jié)合巷道開(kāi)挖后塑性區(qū)的表達(dá)式能夠得出斷層最大影響塑性區(qū)的范圍m的表達(dá)式為：

根據(jù)頂板巖層裂隙的發(fā)展過(guò)程能夠得出：當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層的影響范圍時(shí)，巷道頂板的破壞過(guò)程可劃分為兩個(gè)階段，在第一階段，巷道頂板在原始應(yīng)力、垂直應(yīng)力和斷層面?zhèn)认驊?yīng)力的綜合作用下出現(xiàn)剪切擴(kuò)容，致使頂板巖層出現(xiàn)松動(dòng)；在第二階段，當(dāng)頂板裂隙延伸到斷層破碎帶時(shí)，容易致使斷層在剪切力的作用下出現(xiàn)上下兩盤(pán)的滑移現(xiàn)象，此時(shí)在覆巖重量及斷層上盤(pán)擠壓剪切力的作用下使得斷層的下盤(pán)出現(xiàn)擴(kuò)容，從而導(dǎo)致斷層下盤(pán)處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，便會(huì)出現(xiàn)松塌性冒落現(xiàn)象[3]；隨著工作面掘進(jìn)至斷層區(qū)域時(shí)，在掘進(jìn)工作面超前壓力的作用下，前方的煤巖體會(huì)進(jìn)入塑性區(qū)域，當(dāng)塑性區(qū)域的范圍與斷層破碎帶貫通時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)頭煤壁及兩幫出現(xiàn)圍巖坍塌現(xiàn)象[4]。

3 過(guò)斷層段支護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)2-208工作面運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過(guò)斷層時(shí)巷道的變形破壞特征，并結(jié)合巷道變形破壞的機(jī)理，分析確定巷道在過(guò)斷層段采用現(xiàn)有支護(hù)+噴漿+注漿的支護(hù)方式來(lái)對(duì)已掘進(jìn)過(guò)斷層段的巷道進(jìn)行修復(fù)，對(duì)未通過(guò)的斷層采用超前加固巷道圍巖+U型鋼棚的方式進(jìn)行支護(hù)。

對(duì)于巷道過(guò)斷層區(qū)域，在現(xiàn)有支護(hù)形式下圍巖變形量大的區(qū)域提出采用噴漿+注漿的修復(fù)方案，具體的施工工藝為：先打設(shè)鉆孔，預(yù)埋導(dǎo)水管與注漿管、在巷道表面噴射一層厚為150mm的噴漿層，然后進(jìn)行注漿作業(yè)；對(duì)于未通過(guò)的斷層區(qū)域，采用超前注漿加固的方式掘進(jìn)通過(guò)斷層。

本次注漿材料主要使用水泥-水玻璃漿液，水泥的水灰比為0.6，注漿鉆孔直徑為50mm，設(shè)計(jì)修復(fù)巷道處的注漿深度為5.0m，巷道斷面內(nèi)布置6個(gè)注漿孔，頂板及兩幫各布置2個(gè)，注漿孔之間的間距為1.5m，巷幫孔距離底板的高度為1.3m，具體注漿鉆孔的布置位置如圖3所示。

圖3 注漿鉆孔布置圖

具體巷道掘進(jìn)過(guò)斷層區(qū)域的施工工藝流程如下：

1）巷道支護(hù)。在巷道過(guò)斷層區(qū)域，架設(shè)U型鋼棚進(jìn)行支護(hù)，棚距為650mm，棚腿與底板間的夾角為85°，拱梁和腿搭接長(zhǎng)度為500mm，搭接處各用兩個(gè)卡纜卡住，卡纜間距為400mm，鋪設(shè)φ5.7mm的金屬焊接網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為100×100mm，（頂網(wǎng)4500×900mm、幫網(wǎng)3000×900mm）。同時(shí)每架棚拱頂按照850mm的間距均勻布置11根剎桿，棚之間用5根拉桿（采用Φ18mm×700mm的圓鋼焊制）聯(lián)鎖。

2）噴漿封閉。在U型棚架設(shè)完畢后，對(duì)巷道斷面進(jìn)行噴漿作業(yè)，封閉圍巖，同時(shí)防止巷道圍巖的風(fēng)化并能夠防止后續(xù)注漿作業(yè)時(shí)出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。噴漿所用材料主要為水泥、黃沙、石子，水灰比為0.45，水泥∶黃砂∶石子的重量比=1∶2∶2，噴砼強(qiáng)度為C20，噴砼厚度為150mm，在進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)時(shí)先清理墻角浮矸，噴射墻基部位，再?lài)娚鋬蓭停詈髧娚涔绊敳课弧?/p>

3）注漿加固。在進(jìn)行注漿加固作業(yè)時(shí)，注漿具體按照如下步驟施工：①在需加固位置用鉆機(jī)按設(shè)計(jì)打設(shè)注漿鉆孔，鉆頭φ50mm，孔深5m；②安裝注花漿管。將注漿花管放入鉆好的注漿孔，注漿花管外端與封孔器通過(guò)螺紋連接；③封孔。封孔采用ZF-A22封孔器，通過(guò)螺紋將封孔器與注漿花管連接；④通過(guò)螺紋將注液槍與封孔器連接，開(kāi)泵封孔、注漿；⑤停泵，卸壓，拆除注液槍及注漿管線，移至下一個(gè)注漿孔，單孔注漿結(jié)束。依次進(jìn)行下一鉆孔注漿。

4）特殊地段的錨桿補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。在架棚、噴漿、注漿通過(guò)斷層區(qū)域后，根據(jù)巷道現(xiàn)場(chǎng)變形的具體情況，針對(duì)巷道變形量較大的區(qū)域采用錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨桿的間排距為800×800mm，錨桿選用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ22×2400mm。

4 礦壓觀測(cè)

為對(duì)巷道過(guò)斷層段采用U型棚+噴漿+注漿的支護(hù)方案的效果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)修復(fù)后的巷道表面的位移量每2天進(jìn)行一次觀測(cè)，持續(xù)觀測(cè)2個(gè)月，將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖4所示。

通過(guò)分析圖5能夠得出，巷道圍巖位移量的曲線表現(xiàn)為前期變形快，后期逐漸趨于穩(wěn)定的總體趨勢(shì)，在巷道的修復(fù)初期兩幫移近速度為12mm/d，變形速率約為15mm/d，后期巷道的變形速度逐漸減小，最終穩(wěn)定在約0.1mm/d；在觀測(cè)期間內(nèi)，巷道頂?shù)装宓淖畲笠平繛?96mm，兩幫的最大移近量為157mm，能夠看出巷道在采用U型棚+噴漿+注漿的支護(hù)方案后巷道圍巖變形得到了有效控制，保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。

圖4 巷道表面位移曲線

5 結(jié)論

通過(guò)分析巷道過(guò)斷層區(qū)域?qū)鷰r穩(wěn)定性影響，并具體分析2-208工作面運(yùn)輸巷過(guò)斷層段巷道圍巖的變形特征，提出采用U型棚+噴漿+注漿的支護(hù)措施來(lái)控制巷道過(guò)斷層段圍巖的穩(wěn)定，根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果可知，支護(hù)方案實(shí)施后巷道過(guò)斷層區(qū)域頂?shù)装宓淖畲笠平繛?96mm，兩幫的最大移近量為157mm，有效的保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。