斷層附近高應力巷道圍巖變形機理及控制技術

謝志紅，常慶糧，孫志猛

（1.淄博礦業(yè)集團有限責任公司 邵寨煤業(yè)，甘肅 平涼 272000；2.中國礦業(yè)大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；4.靖遠煤電有限責任公司紅會第一煤礦，甘肅 白銀 273000）

我國一些煤礦經過多年開采后，已進入礦井生命周期的中后階段，礦井賦存條件簡單的采區(qū)基本回采結束，剩余采區(qū)多為地質構造影響強烈的采區(qū)，其煤層賦存條件復雜、斷層等地質構造發(fā)育。當回采工作面周圍存在已有采空區(qū)時，工作面回采巷道將始終處于采空區(qū)側向支承壓力的強烈影響范圍內，在地質構造和鄰近工作面固定支承壓力的疊加影響下，在本工作面尚未開采時回采巷道將發(fā)生較大圍巖變形，巷道將受到多次擾動產生的次生高應力的長時作用，導致回采巷道出現(xiàn)強烈變形。王其洲等[1]針對斷層構造帶的高應力軟巖巷道變形破壞嚴重的問題，以深部開采地質條件下泉店煤礦為典型案例，提出了新型穩(wěn)定型高強圍巖控制方案，此方案通過帶梁錨索結構補償高強錨網支護承載結構，使得支護承載結構的結構穩(wěn)定性和承載能力得到明顯提高；宋衛(wèi)華、李俊生、陳啟永等[2-4]運用動載應力波理論和巖體超低摩擦效應理論對動載荷對斷層破碎帶的作用進行了研究，并對工作面回采中的正斷層上盤正應力和礦山壓力之間的相互作用關系進行分析；賈志明等[5]針對河南紅嶺煤礦高應力軟巖軌道下山巷道圍巖變形破壞嚴重的問題，根據(jù)松動圈理論和耦合支護理論，提出“錨桿錨索+U 型鋼可縮性支架+錨注”耦合支護技術方案；王俊良[6]為了分析粉砂巖與泥巖浸水軟化作用下，過導水斷層破碎帶時軟巖巷道圍巖變形嚴重的問題，通過FLAC3D數(shù)值模擬對巷道過斷層時的應力、變形以及破壞特征進行研究，并提出了“深孔超前帷幕注漿堵水+超前小導管局部注漿+錨帶網索梁”聯(lián)合支護技術；李躍文、萬首強等[7-8]根據(jù)耦合非對稱支護理論和“強弱強”支護結構產生的機理，依據(jù)典型礦區(qū)實際，提出了“卸壓鉆孔+薄弱部位補強支護”技術方案；曹明、謝小平、呂小波等[9-13]提出了通過圍巖注漿，頂幫部棚索協(xié)同支護增加結構穩(wěn)定性，提高其承載能力，底板錨網索支護控制底鼓。

雖然我國學者對復雜地質條件下高應力回采巷道圍巖控制技術進行了大量研究[14-18]，但對于斷層附近高應力回采巷道的高強度、高剛度和非對稱特性的新型錨網支護技術的研究比較少。為此，開展該類型課題的研究，尤其是有關斷層附近多擾次生高應力巷道的支護技術研究，實現(xiàn)此類巷道低成本、高效用的目標，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

許廠煤礦是山東能源淄博礦業(yè)集團的主力生產礦井之一，位于濟寧城區(qū)東北部，于1998 年建成投產，礦井設計生產能力320 萬t/a，主采3#煤層，其平均厚度為4 m。目前，許廠煤礦已進入礦井生命周期的中后階段，賦存條件簡單的采區(qū)基本回采結束，剩余采區(qū)多為地質構造影響強烈的采區(qū)，其煤層賦存條件復雜、斷層等地質構造發(fā)育。3318 工作面位于黃橋東斷層和黃橋斷層之間，工作面長度隨兩斷層間距變化而變化，即工作面長度由初始開采時的128 m 左右，逐漸減小為開采末期的40 m 左右。3318 工作面運輸巷北側為3302上工作面采空區(qū)，水平距離約為60 m，兩工作面之間為黃橋東斷層。3318 工作面布置如圖1。

圖1 3318 工作面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3318 working face layout

3318 運輸巷設計長度約為1 030 m，服務年限為2 年，巷道布置在3下煤層中，沿煤層底板掘進。巷道掘進范圍內相對地面標高在+40 m 左右，地下標高在-320 m 左右，巷道最大埋深約為360 m。3318 工作面運輸巷采用矩形斷面，巷道凈斷面面積為14.88 m2，凈寬度4 800 mm，凈高度3 100 mm。3下煤層直接頂為中粒砂巖，厚度在7.80～9.15 m 之間，平均為8.98 m；基本頂為粉砂巖，厚度在1.60～9.97 m 之間，平均為8.36 m；直接底為泥巖，厚度在0～2.8 m 之間，平均為0.52 m；基本底為粉砂巖，厚度在0～2.75 m 之間，平均1.54 m。

3318 工作面區(qū)域構造類型復雜，斷層構造尤為發(fā)育，區(qū)域內分布了7 條大傾角、高落差的正斷層：孫氏店支2 斷層、黃橋斷層、黃橋東斷層、DF44、DF45、DF46、DF48，斷層傾角在64°～75°之間，落差最大達到165 m。斷層構造不僅改變了3下煤層分布特征，而且對3318 工作面回采巷道的掘進和服務期間的穩(wěn)定性產生顯著影響。其中，對3318 工作面運輸巷而言，傾角70°、落差為22 m 以上的黃橋斷層構造對其影響最為強烈；此外，運輸巷掘進過程中將穿過DF44和DF48斷層。因此，巷道受到上述3 條斷層的較大影響，黃橋東斷層、DF44和DF48斷層均為拉剪破壞為主的正斷層，造成運輸巷圍巖宏觀裂隙極為發(fā)育，且為松散狀。

2 原巷道支護方案及失穩(wěn)特征

2.1 原巷道支護方案

3318 工作面運輸巷采用矩形斷面，掘進斷面面積為16 m2，掘進寬度為5 000 mm，高度為3 200 mm；巷道凈斷面面積為14.88 m2，凈寬度4 800 mm，凈高度3 100 mm。其具體支護參數(shù)如下：兩幫采用規(guī)格為?18 mm×L2 400 mm 的20MnSi 高強度全螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，右?guī)兔扛? 排錨桿排布置1 排錨索；頂板每排均布置5 條鋼絞線，每隔1 排?21.6 mm×L7 000 mm 的錨索排打設1 排?17.8 mm×4 000 mm 的錨索排，靠幫的鋼絞線打設角度與頂板垂直方向成15°分別向兩幫傾斜布置，其余鋼絞線垂直頂板打設，錨索間排距為1 000 mm×800 mm。右?guī)兔扛? 排錨桿排布置1 排錨索排，采用規(guī)格為?17.8 mm×L4 000 mm 的低松弛預應力左旋鋼絞線，布置在鋼帶的第1、第3、第4 孔內，間排距為1 600 mm×800 mm，上、下部鋼絞線與巷幫垂直方向呈15°夾角分別向頂、底板方向傾斜布置，其余鋼絞線垂直巷幫布置。錨索漲緊后，幫第1、第3 孔處錨索外露部分需分股掰彎約90°。3318運輸巷原有支護示意圖如圖2。

圖2 3318 運輸巷原有支護示意圖Fig.2 Schematic diagram of original support of 3318 transportation roadway

2.2 原巷道失穩(wěn)特征

礦井現(xiàn)階段主產工作面周圍多為已有采空區(qū)，其中，3318 工作面與鄰近的3302 工作面采空區(qū)水平距離僅為60 m，工作面巷道始終處于采空區(qū)側向支承壓力的強烈影響范圍內，在地質構造和鄰近工作面固定支承壓力的疊加影響下，在本工作面尚未開采時巷道就已多次修復，始終受到多次擾動產生的次生高應力長時作用；當本工作面開采后，超前本工作面100 m 范圍內的回采巷道均出現(xiàn)強烈變形。3318 工作面運輸巷變形現(xiàn)場如圖3。

圖3 3318 工作面運輸巷變形現(xiàn)場Fig.3 Deformation of transportation roadway at 3318 working face

3318 工作面運輸巷變形特征主要表現(xiàn)為：①巷道頂板整體下沉，并伴有褶皺形變形，巷道強烈底鼓，最大變形量達到800 mm 以上，底板可見明顯變形縫，且底鼓變形出現(xiàn)一定非對稱特征，即底鼓變形量最大位置靠近本工作面一側；②兩幫強烈內突收斂，且靠近采空區(qū)一側幫部整體內移大于工作面一側幫部，出現(xiàn)顯著非對稱變形特征。

根據(jù)現(xiàn)場對3318 工作面運輸巷開口位置以及巷道整體變形特征的觀測結果分析，3318 工作面運輸巷采用原有支護方案后，在靜壓作用下已經出現(xiàn)了較為顯著的礦壓顯現(xiàn)特征，在工作面回采過程中，該巷道將經受煤柱支承壓力和超前支承壓力的疊加作用，出現(xiàn)更為強烈的礦壓顯現(xiàn)特征。3318 工作面運輸巷其圍巖復雜高應力由斷層構造應力、鄰近采空區(qū)側向支承壓力和強烈采動超前支承壓力等擾動次生應力疊加構成，進而導致回采巷道出現(xiàn)頂板整體下沉、兩幫強烈內移和顯著底鼓的變形特征，回采巷道的強烈變形將會嚴重制約3318 工作面的安全高效回采。

3 斷層附近巷道圍巖應力分布規(guī)律

3.1 數(shù)值分析模型

為了探討3318 工作面運輸巷在斷層構造和鄰近采空區(qū)側向支承壓力疊加作用下的圍巖穩(wěn)定性規(guī)律，采用FLAC3D軟件[19-20]進行數(shù)值模擬分析。構建模型尺寸長×寬×高為300 m×200 m×200 m，數(shù)值計算模型如圖4。

圖4 數(shù)值計算模型Fig.4 Numerical calculation model

模型中3318 工作面及其回采巷道位于模型中間部位，運輸巷與斷層水平距離20 m，與鄰近采空區(qū)邊緣水平距離60 m；鄰近工作面采用半無限開采方式建模，即鄰近采空區(qū)位于模型左邊界位置。模型中網格應力和變形迭代采用莫爾庫倫強度準則，即破壞面剪應力準則。模型前后左右4 個邊界為支承邊界條件，底邊界為固定邊界條件，上邊界為應力邊界條件，并在上部施加6.5 MPa 的均布載荷，模擬模型上覆260 m 厚的巖層自重。模型內部采用interface 命令模擬斷層，其斷層接觸面力學參數(shù)為剪切剛度200 GPa、法向剛度200 GPa、內摩擦角15°、黏聚力0.4 MPa，同時開啟滑動模式。為了分析斷層構造和鄰近采空區(qū)側向支承壓力對巷道位置原巖應力的影響，在3318 工作面運輸巷斷面中心位置設置監(jiān)測點，實時監(jiān)測擾動次生應力場的演化規(guī)律。

3.2 數(shù)值模擬結果

斷層構造是影響煤層開采的重要地質因素，在其附近巖體的完整性受到強烈影響，加速巖體內部微觀結構面發(fā)展，同時貫通宏觀裂隙。尤其是“上盤下移、下盤上移”的正斷層，主要受拉力和重力作用，在斷層接觸面形成拉剪應力。對于以巖石為代表的脆性材料，其抗拉強度極低，從而加速巖石產生大量拉剪破壞，因此，正斷層多出現(xiàn)于張裂性板塊邊界。對于3318 工作面運輸巷，其受到近區(qū)正斷層影響嚴重，凸顯正斷層區(qū)域應力分布特征，即斷層附近巖體應力出現(xiàn)小幅降低，并在斷層接觸面產生應力間斷現(xiàn)象，斷層影響條件下巖體最大主應力分布規(guī)律如圖5。其中，模型同一水平面內斷層上下盤接觸面最大主應力存在0.5 MPa 應力差，并在斷層上底部出現(xiàn)集中應力，而在下盤底部出現(xiàn)應力降低現(xiàn)象，由此也表明了正斷層對巷道附近巖層應力影響規(guī)律。

圖5 斷層影響條件下巖體最大主應力分布規(guī)律Fig.5 Distribution of maximum principal stress in rock mass under the influence of faults

待斷層構造和鄰近工作面采空區(qū)側向支承壓力逐漸穩(wěn)定后，在數(shù)值模型中開挖巷道，分析其圍巖應力分布規(guī)律。側向支承壓力條件下近斷層巷道圍巖應力分布特征如圖6，3318 工作面運輸巷頂?shù)装鍘r層豎直應力顯著降低，其中頂板應力降低范圍為2.4 m 左右，底板應力降低范圍為2.6 m。在巷道兩幫均出現(xiàn)豎直應力集中現(xiàn)象，其中，左幫集中應力峰值距離巷道圍巖表面4 m 位置，其峰值為14.9 MPa，其集中應力擾動范圍與斷層區(qū)域集中應力范圍貫通。由于斷層附近集中應力的主要影響因素為鄰近3302 工作面采空區(qū)側向支承壓力，因此，3318工作面運輸巷左幫圍巖受到保護煤柱支承壓力的強烈影響，促使其應力集中系數(shù)達到1.7。此外，巷道右?guī)拓Q直應力峰值距離巷道圍巖表面3.2 m，集中應力峰值為14.6，應力集中系數(shù)達到1.66，并且右?guī)蛧鷰r豎直方向集中應力分布范圍與左幫相比較小。

圖6 側向支承壓力條件下近斷層巷道圍巖應力分布特征Fig.6 Stress distribution characteristics of surrounding rock of roadway near fault under lateral abutment pressure

3318 工作面回風平巷開挖后其圍巖豎直應力分布規(guī)律如圖7。由于該巷道與運輸巷均為3318 工作面回采巷道，巷道圍巖性質及內部結構面特征較為近似，同時回風平巷遠離3302 工作面采空區(qū)側向支承壓力和斷層構造的影響，因此，3318 工作面回風平巷圍巖應力分布規(guī)律可以定性代表運輸巷在未受鄰近采空區(qū)側向支承壓力和斷層構造影響下的圍巖應力分布規(guī)律。

由圖7 可知，巷道頂板和底板應力降低范圍分別為3.4 m 和2.6 m；左幫集中應力峰值為11.1 MPa，距離巷道圍巖表面4.2 m；右?guī)图袘Ψ逯禐?1.4 MPa，距離巷道圍巖表面3.8 m，左右兩幫圍巖應力近似對稱分布。在鄰近采空區(qū)側向支承壓力和斷層構造疊加影響下，巷道頂板圍巖應力降低范圍減小1 m 左右，而兩幫圍巖集中應力峰值與巷道表面距離減小0.2～0.6 m；同時，兩幫圍巖集中應力峰值均由11 MPa 左右增加14.6 MPa 以上。由此表明，鄰近采空區(qū)側向支承壓力影響范圍達到80 m以上，雖然存在張性正斷層，且斷層附近存在應力間斷，但是高支承壓力仍然促使3318 工作面運輸巷圍巖應力顯著增加，集中應力峰值向巷道圍巖表面偏移，促使運輸巷表面節(jié)理化巖體產生強烈變形；此外，巷道兩幫圍巖應力分布規(guī)律由顯著對稱性逐漸轉變?yōu)榉菍ΨQ特性，即靠近斷層的左幫圍巖承受較高的集中應力，且集中應力擾動范圍較大。上述分析從應力分布角度，較好地解釋了3318 工作面運輸巷非對稱變形特征的原因。

圖7 3318 工作面回風平巷豎直應力分布規(guī)律Fig.7 Vertical stress distribution law of return air roadway on 3318 working face

4 巷道支護參數(shù)優(yōu)化設計

在3318 工作面回采過程中，運輸巷處于多次擾動后產生的次生高應力場中，屬于典型的復雜高應力巷道。因此，針對運輸巷圍巖應力環(huán)境和圍巖條件，基于許廠煤礦復雜高應力巷道錨網支護參數(shù)進階優(yōu)化思路及最優(yōu)指導參數(shù)，提出適合于許廠煤礦3318 工作面運輸巷的具有高強度、高剛度和非對稱特性的新型錨網支護技術方案。該技術方案將3318工作面A 和B 2 種支護斷面相間布置，排距800 mm，3318 運輸巷優(yōu)化后支護如圖8。

圖8 3318 運輸巷優(yōu)化后支護示意圖Fig.8 Schematic diagrams of optimized support of 3318 transportation roadway

1）斷面A 支護參數(shù)。巷道幫部采用?18 mm×2 400 mm 的20MnSi 高強度全螺紋鋼錨桿，間距均為850 mm，分別采用1 支CK2350（端部）和1 支K2350樹脂錨固劑進行加長錨固；同時，采用規(guī)格為2 800 mm×80 mm 的異型鋼帶連接斷面A 內相鄰錨桿。頂板錨索采用?21.6 mm×7 000 mm 的1860 鋼絞線支護，間距1 000 mm，分別采用1 支CK2350（端部）和2 支K2350 樹脂錨固劑進行加長錨固。同時，采用規(guī)格為4 600 mm×280 mm×3 mm 的W 型鋼帶連接斷面A 內相鄰錨索。

2）斷面B 支護參數(shù)。頂板錨索采用?17.8 mm×4 000 mm 的1860 鋼絞線支護，間距1 000 mm，分別采用1 支CK2350（端部）和2 支K2350 樹脂錨固劑進行加長錨固；同時，采用規(guī)格為4 600 mm×280 mm×3 mm 的W 型鋼帶連接斷面A 內相鄰錨索。工作面一側幫部采用錨桿、錨索聯(lián)合布置方式，間距為850 mm。其中，幫頂和幫底外扎布置?18 mm×2 400 mm 的20MnSi 高強度全螺紋鋼錨桿支護。幫中采用?17.8 mm×4 000 mm 的1860 鋼絞線支護。錨桿采用1 支CK2350（端部）和1 支K2350 樹脂錨固劑進行加長錨固；錨索采用1 支CK2350（端部）和2 支K2350 樹脂錨固劑進行加長錨固；同時，采用規(guī)格為2 800 mm×80 mm 的異型鋼帶連接斷面A 內相鄰的錨桿和錨索。斷層一側幫部采用?18 mm×2 400 mm的20MnSi 高強度全螺紋鋼錨桿，間距均為850 mm。分別采用1 支CK2350（端部）和1 支K2350 樹脂錨固劑進行加長錨固。同時，采用規(guī)格為2 800 mm×80 mm 的異型鋼帶連接斷面A 內相鄰錨桿。

3）斷層一側幫部加強支護參數(shù)?！拔寤ā辈贾?17.8 mm×4 000 mm 的1860 鋼絞線，間距均為1 700 mm，排距1 600 mm。采用1 支CK2350（端部）和2支K2350 樹脂錨固劑進行加長錨固。同時，沿巷道軸向布置長為1 800 mm 的T 型鋼帶，以此連接相鄰的補強錨索，并且沿巷道軸向相鄰鋼帶之間存在搭接關系，且搭接長度100 mm，采用錨索壓緊搭接部位。

錨桿均使用配套鑄鋼螺母施加預緊力，預緊力矩不低于300 N·m；錨桿托盤規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm 的弧形鋼托盤；錨索均使用配套兩芯鎖具施加預緊力，預緊力不低于100 kN 或張拉千斤頂壓力表示數(shù)不低于25 MPa。采用10#鐵絲編制而成的網孔50 mm×50 mm 的菱形金屬網護表，頂板金屬網規(guī)格為5 200 mm×1 100 mm。兩幫采用規(guī)格為2 600 mm×2 000 mm 的菱形金屬網縱向搭接使用。頂網之間、幫網之間、頂幫網之間，采用單股10#鐵絲按間距200 mm 聯(lián)扣，相互搭接不小于100 mm。

5 現(xiàn)場應用效果

為了合理評價多擾次生高應力巷道高強度高剛度非對稱錨網支護技術方案的圍巖控制效果，在3318 工作面運輸巷內設置3 組礦壓觀測站（圖1）。1#測站為回采過程中圍巖變形量觀測站，2#和3#測站為掘進過程中的圍巖變形量觀測站。當前，3318工作面剛進入回采階段，因此3 個測站受到強烈采動影響，其觀測值均為巷道掘進期間的圍巖變形量。現(xiàn)場觀測3 個測站位置巷道表面位移量與掘進頭距離之間的關系如圖9。

圖9 巷道表面位移變化規(guī)律Fig.9 Variation law of roadway surface displacement

根據(jù)3 個測站圍巖變形量平均數(shù)據(jù)可知，巷道頂?shù)装遄冃瘟肯鄬^大，且在距掘進頭80 m 左右時趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?10～120 mm；巷道兩幫變形量相對較小，且在距掘進頭70 m 左右時趨于穩(wěn)定，兩幫最大移近量為100～110 mm。測站兩幫移近量中主要是斷層側巷幫發(fā)生較大內移，頂?shù)装逡平恐兄饕琼敯逑鲁痢Ｕf明在多重疊加應力影響下，巷道圍巖變形具有明顯的非對稱特征。

對比上述實測數(shù)據(jù)與原有支護條件下巷道圍巖變形情況可知，采用高強度高剛度非對稱錨網支護方案后，巷道圍巖變形量降低了70%以上，其中頂?shù)装逑鄬σ平坑?00 mm 以上降低至120 mm 左右，兩幫相對移近量由800 mm 減小至110 mm 左右。由此表明，新型支護技術能夠有效控制3318 工作面運輸巷圍巖的強烈變形。

6 結 語

1）通過數(shù)值模擬分析得出：模型同一水平面內斷層上下盤接觸面最大主應力存在應力差，在斷層上底部出現(xiàn)集中應力，而在下盤底部出現(xiàn)應力降低現(xiàn)象；巷道兩幫圍巖應力分布規(guī)律由顯著對稱性逐漸轉變?yōu)榉菍ΨQ特性，即靠近斷層的左幫圍巖承受較高的集中應力，且集中應力擾動范圍較大。

2）針對運輸巷圍巖應力環(huán)境和圍巖條件，基于許廠煤礦復雜高應力巷道錨網支護參數(shù)進階優(yōu)化思路及最優(yōu)指導參數(shù)，提出適合許廠煤礦3318 工作面運輸巷的具有高強度、高剛度和非對稱特性的新型錨網支護技術方案。

3）通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗，采用高強度高剛度非對稱錨網支護方案后，巷道圍巖變形量降低了70%以上，其中頂?shù)装逑鄬σ平坑?00 mm 以上降低至120 mm 左右，兩幫相對移近量由800 mm 減小至110 mm 左右。由此表明，新型支護技術能夠有效控制3318 工作面運輸巷圍巖的強烈變形。