深部斷裂帶巷道變形特征及穩(wěn)控技術(shù)研究

石艷陽(yáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

深部煤層的物理力學(xué)性質(zhì)一般為單軸飽和抗壓強(qiáng)度較低、靈敏度大、變形較大、風(fēng)化系數(shù)與軟化系數(shù)較大[1-2]，尤其是深部斷裂帶煤層巷道具有圍巖破碎、變形速度快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、底鼓量大等特征，巷道開挖施工風(fēng)險(xiǎn)較大[3-5]。

本文針對(duì)深部斷裂帶巷道存在的底鼓劇烈、持續(xù)蠕變、變形巨大等特征，分析了巷道底鼓形成關(guān)鍵因素，并制定相應(yīng)的變形穩(wěn)控技術(shù)，對(duì)礦井開采及巷道施工安全具有重要意義。

1 工程概況

東周窯煤礦位于大同煤田西部，其4#層南部盤區(qū)輔運(yùn)巷長(zhǎng)度為657 m，巷道水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要充水因素為山4#層頂板砂巖裂隙水和上覆馬口礦以及店灣煤礦侏羅系小窯采空區(qū)積水。由于采動(dòng)年限較長(zhǎng)，采空區(qū)面積、積水量不明，老空水、老空區(qū)積氣可能會(huì)通過(guò)斷裂構(gòu)造導(dǎo)通至工作面，給工作面帶來(lái)安全隱患。

工作面煤層頂板為中粗砂巖，為煤層的直接充水含水層，屬弱含水層。在局部區(qū)域構(gòu)造發(fā)育情況下，構(gòu)造帶富水，巷道掘進(jìn)期間頂板裂隙出現(xiàn)滴淋水現(xiàn)象。

掘進(jìn)工作面布置在山4#層中，煤層產(chǎn)狀走向220°，傾向310°，傾角1°～4°，山4#煤層距5#煤層70 m。4#煤層平均厚度5.63 m，以半亮型、亮煤、暗煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。4#煤層基本頂以砂質(zhì)泥巖、中粗砂巖為主，灰白色，塊狀構(gòu)造；直接頂為泥巖、細(xì)砂巖，黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，平坦?fàn)顢嗫?，鈣質(zhì)膠結(jié)；直接底為碳質(zhì)泥巖、粉砂巖，黑色塊狀，含炭質(zhì)較高；基本底屬于中砂巖、含礫粗砂巖，灰白色，塊狀構(gòu)造，分選性中等，鈣質(zhì)膠結(jié)。

巷道掘進(jìn)期間揭露斷層多處，巖體較為破碎、強(qiáng)度低、膠結(jié)性較差，易風(fēng)化和遇水軟化。巷道開挖揭露及變形實(shí)測(cè)表明，巷道圍巖較為碎裂，開挖后呈現(xiàn)較大變形，底鼓陡升明顯且流變時(shí)間較長(zhǎng)，巷道邊界收縮嚴(yán)重，對(duì)巷道開挖及開采具有不利影響。

2 底鼓形成關(guān)鍵因素分析

（1）底板巖性及結(jié)構(gòu)

巷道底板巖層主要為泥巖，成巖質(zhì)量差，抗壓強(qiáng)度低，巖性軟弱，易崩解泥化，擠壓受力易發(fā)生塑性大變形，變形連續(xù)發(fā)展致使底板混凝土剝離脫空，形成底鼓大變形。

（2）圍巖應(yīng)力傳遞

4#層輔運(yùn)巷開挖后，打破了圍巖的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成巷道兩幫應(yīng)力集中，其圍巖的水平應(yīng)力陡升，其應(yīng)力集中后沿兩幫傳遞到底板中，造成底板發(fā)生較大撓曲變形，從而產(chǎn)生了較大的底鼓現(xiàn)象。

（3）巷道支護(hù)強(qiáng)度

底鼓量主要取決于支護(hù)阻力及強(qiáng)度。本工程原支護(hù)采用底板澆筑混凝土，支護(hù)強(qiáng)度僅停留在結(jié)構(gòu)表面，未深入至巖層深部，未充分發(fā)揮圍巖的自承能力。受巷道開挖擾動(dòng)影響，圍巖松動(dòng)圈范圍逐漸擴(kuò)大，在錨桿加固拱的約束下，巷道頂板及兩幫變形趨于平穩(wěn)，從而擠壓巷道底板，致使底板混凝土脫離形成空洞，塑性變形進(jìn)一步發(fā)展形成底板隆起大變形。

3 底鼓防治穩(wěn)控技術(shù)

結(jié)合底鼓形成關(guān)鍵因素分析，采用常規(guī)錨噴網(wǎng)或混凝土底板達(dá)不到預(yù)期控制效果，需采用多控制方式結(jié)合的底鼓防治技術(shù)。本工程制定了錨桿+錨梁+鋼筋網(wǎng)+初噴混凝土+底板二襯混凝土的綜合穩(wěn)控技術(shù)，如圖1。

圖1 巷道底板綜合支護(hù)（mm）

具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2200 mm，每個(gè)錨梁上分布3 根錨桿，分布間距為1.2 m，錨桿垂直于底板打設(shè)。

（2）錨梁采用Φ20 mm 的鋼筋焊接形成鋼筋帶，鋼筋帶長(zhǎng)度為3 m，分布間距為1 m。

（3）鋼筋網(wǎng)采用Φ8 mm，面積80 mm×80 mm。

（4）巷道底板噴射混凝土及二次襯砌采用C20，初支厚度0.3 m，二襯厚度0.4 m。

4 圍巖變形穩(wěn)控效果數(shù)值仿真

通過(guò)FLAC3D有限差分軟件分別模擬巷道常規(guī)網(wǎng)噴支護(hù)（工況1）和綜合穩(wěn)控支護(hù)（工況2）的圍巖變形情況，并進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 建立數(shù)值模型

建立巷道數(shù)值模型尺寸為60 m×60 m×40 m，如圖2。邊界條件為模型底部固定，四周采用水平約束，限制水平方向位移。模型共43 700 個(gè)單元網(wǎng)格，47 481 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。模型采用Mohr-Coulomb彈塑性準(zhǔn)則。根據(jù)地質(zhì)勘探資料確定其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 計(jì)算模型

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

4.2 巷道圍巖變形特征

不同支護(hù)方案下，巷道圍巖變形特征如圖3、圖4 所示。

圖3 巷道圍巖水平變形云圖

圖4 巷道圍巖豎向變形云圖

（1）采用工況1 網(wǎng)噴支護(hù)時(shí)，巷道圍巖水平變形最大值為39.6 mm，兩幫收斂量為75.6 mm，頂板最大沉降為103 mm，底鼓量已達(dá)300 mm，說(shuō)明巷道表面已發(fā)生了變形破壞，無(wú)法滿足采礦運(yùn)輸要求。

（2）采用工況2 的綜合穩(wěn)控技術(shù)后，巷道兩幫收斂量為40.6 mm，比工況1 減少46.3%，頂板下沉量為48 mm，減小53.4%，底鼓量為50 mm，減小了83.3%，變形控制效果顯著。說(shuō)明軟巖巷道采用該底板綜合穩(wěn)控技術(shù)能夠?qū)⒃兄ёo(hù)體系形成一個(gè)整體，增強(qiáng)了圍巖-支護(hù)體系的抗變形能力，有效控制頂板、兩幫、底板的變形發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

深部斷裂帶巷道存在圍巖破碎、變形速度快、鼓隆巨大、起鼓點(diǎn)較深等問(wèn)題，成為煤炭安全開采的關(guān)鍵制約點(diǎn)。本工程提出了錨桿+錨梁+鋼筋網(wǎng)+初噴混凝土+底板二襯混凝土綜合穩(wěn)控技術(shù)，通過(guò)數(shù)值仿真分析了其支護(hù)控制效果，表明該穩(wěn)控技術(shù)能夠顯著改善底板的受拉塑性破壞，有效控制圍巖變形。兩幫收斂量降低了46.3%，頂板下沉量減小了53.4%，底鼓速度明顯降低，底鼓量減小了83.3%，為類似工程提供了重要技術(shù)指導(dǎo)。