南十一采區巷道組過劉仙莊斷層地應力分析及施工綜合方法應用研究

佟文亮 邊長奎 胡春慧

（棗莊礦業〈集團〉公司蔣莊煤礦，山東 滕州 277519）

0 概述

南十一采區地面位于蔣莊井田的東南部，房莊村以東，于橋村、橋崗村西南，東側為岱莊井田，南側為付村井田；井下位于南九采區的東部，南七采區的東南部；本采區東至尹家洼斷層與岱莊井田相鄰(3下煤層東北至可采邊界線)，南至蔣莊井田與付村井田邊界線、西至劉仙莊斷層及房莊村莊保護煤柱線與南九采區相鄰、北至19-2斷層及于橋村、橋崗村莊保護煤柱線；南北走向長1436-1901m，東西傾斜寬443-580m，面積911832m2。南十一采區四周以斷裂構造為主，其中北、北東向的劉仙莊、尹家洼、19-2斷層及近東西向李集斷層對本采區煤層及構造格局起控制作用，采區內有17-6斷層，采區內鉆孔末見巖漿巖、陷落柱等其它構造，采區內為一單斜構造。劉仙莊斷層為正斷層，是本采區與南九采區的邊界斷層，走向NNE，傾向SE東，傾角75°，落差150米，控制程度可靠，見圖1。

我礦一水平南十一采區準備巷道組將穿過劉仙莊斷層破碎帶，由于圍巖破碎，圍巖的自穩能力很差，如果不采用有效的圍巖控制措施或由于設計及施工方法不合理，極易造成失穩塌方，嚴重時會出現突水淹井事故。因此需要解決在大落差斷層破碎帶內施工永久性巷道的防治水、頂板控制和長期維護的技術難題。見圖2。

1 巷道組過劉仙莊斷層破碎帶的圍巖應力特征和破壞規律

為了確保安全高效施工，首先要開展斷層帶巷道附近巷道圍巖應力預測工作。由于斷層帶巖石材料的分布與性質比較復雜，一般的力學解析計算無法實現，相似材料模擬也非常困難，根據現有資料和其它鄰近礦過特大型斷層經驗，正常巖體中巷道垂直應力的特點是，在巷道幫部具有較大的縱向壓力帶，局部可達16 MPa以上，而在巷道的頂部和底部各出現了一個波及范圍較大的垂直應力削減帶，其中頂部可達到垂直壓應力的消失，而底部則出現很大范圍的0壓應力帶，甚至可能出現拉應力區。

斷層帶中垂直應力的分布總體上與正常地層中的一致。在巷道幫部也存在較大的垂直應力集中帶，只不過集中程度減輕，集中范圍擴大；而在頂部和底部也各存在一個壓應力削減帶，但波及范圍更大一些。從應力等值線來分析，從正常巖體的“橄欖球”狀變化為斷層破碎帶巖體的“柱狀”，呈現出破碎圍巖松散體的四周來壓特征。

正常巖體中巷道水平應力的分布特點。在巷道幫部具有較大的水平壓力降低帶，局部可減少50%以上，而在巷道的圓弧頂的斜上方和巷道的墻角處，各有一對水平應力集中帶，局部可達10 MPa以上；而在巷道的頂部和底部各出現了一個水平應力削減帶，其中頂部和底部則出現很大范圍的0壓應力帶，甚至可能出現拉應力。

與正常巖體相比較，斷層帶巷道圍巖水平應力分布大致相似。但不同的是巷道幫部出現了較大范圍的0壓力帶，影響到了巷道的周邊，有可能全體出現拉應力；從水平應力等值線來分析，低應力等值線的波及范圍更大，應力削減帶的范圍更廣。

在不考慮支護的條件下，斷層帶巷道的頂板下沉是正常巖體的10倍以上，巷道底鼓是正常巖體的3倍以上；兩幫移近量是正常巖體的4倍以上。這反映出在斷層帶內施工的巷道，圍巖變形是非常嚴重的，在巷道施工與維護的過程中必須引起高度重視。

斷層帶巷道與正常巖體巷道的圍巖塑性區的形狀是相似的，總體上呈現“蝴蝶型”。對比屈服區的大小，斷層帶巷道的圍巖塑性區是正常巖體的5-6倍。超大松動圈的存在，給支護方式的選擇造成了不利的影響，必須深入做好巷道支護設計工作，并同時合理選擇支護結構與參數。

在現場施工過程中如巷道幫部均具有較大的縱向壓力帶，巷道的頂部和底部也出現了一個波及范圍較大的垂直應力削減帶，甚至可能出現拉應力區；應力等值線從正常巖體的“橄欖球”狀變化為斷層破碎帶巖體的“柱狀”；在巷道幫部具有較大的水平壓力降低帶，巷道的圓弧頂的斜上方和巷道的墻角處，各有一對水平應力集中帶，巷道的頂部和底部各出現了一個水平應力削減帶等。

可以看出，圍巖塑性區的形狀與各施工巷道巷的情形是相似的，無論從塑性區形狀和大小上均反映了該規律。但值得提出的是，巷道塑性區是相互獨立的，沒有出現“交會”現象。

2 巷道組過劉仙莊斷層的工程實踐

根據我礦巷道圍巖的工程地質條件和巷道布置情況，參考斷層帶應力場的預測和巷道圍巖應力和變形場的分析比較成果，我礦一水平南十一采區巷道組過劉仙莊斷層，巷道支護與施工的基本方法為:穩、準、快。

穩——即穩扎穩打，步步為營，各工序間環環相扣，協調統一；

準——即施工方法得當，安全優質；

快——即速度快，快挖、快護、快封閉。

為此，根據支護動態控制原理，提出斷層帶支護與施工的“早預報、超前探測、短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、勤觀測”圍巖控制原則。

（1）早預報。根據具體的工程地質條件，選用直流電法、瞬變電磁法或地震等方法，對巷道前方斷層的賦存狀態和富含水等情況適時進行綜合超前探測，得到了大量的前方斷層構造準確位置及裂隙發育情況的資料，為巷道掘進的施工安全提供了可靠的地質資料和有效的技術參數。

（2）超前探測。在施工前，要采用鉆孔勘探或物探等方法對斷層的富水性和導水性等水文地質特征做出全面評價。若導水性差，應對局部出水的可能性做出預案。準備好排水泵、管路，并預先施工好排水溝；如出水嚴重，可以進一步考慮采取注漿堵水措施。

（3）短進尺。為減少開挖對圍巖的擾動，避免坍塌，巷道每次開挖進尺控制在避免坍塌范圍內(每循環進尺控制為1米以內)。在軟弱圍巖及斷層破碎帶施工時，若條件許可，盡量采用全斷面方法施工；結合斷層實際情況，不宜采用全斷面開挖時，靈活地采用了半斷面微臺階或上下斷面順序開挖法，有效地保證了巷道迎頭的施工安全。

（4）弱爆破。遇斷層地段時，為防止塌方，盡量采用風鎬掘進。若必須采用爆破掘進時，采用微震爆破放小炮掘進，每循環進尺控制為1米以內；并且超前支護施工完畢并出完矸石后，再打下部眼，放炮采取分次放炮，先放拱基線以下各眼，然后放上部眼。嚴格控制炮眼的數量、深度及裝藥量，以盡量減少爆破對圍巖的震動。

（5）強支護。強支護主要包括超前支護、及時支護、組合支護等三個方面。

①由于斷層帶巖層自穩時間短，必須做到隨掘隨支。

②由于斷層帶圍巖壓力大，斷層泥持續流變時間長，采用錨噴、錨索、錨注和架棚等組合支護方式。

（6）快封閉。為各施工工序之間的距離應盡量縮短，初期支護應盡量靠近迎頭，以減少巖層的暴露時間，并盡快使全斷面封閉成環，采用錨索超前加固、錨噴全封閉式設計。

（7）勤觀測。施工過程中應加大監控觀察力度，隨時注意觀察巷道內圍巖的受力及變形情況，檢查支護結構是否發生了較大的變形，混凝土噴層有無剝落等；同時，要加強對塌方地段的監控量測，及時處理現場量測數據，并將信息及時反饋到施工現場，必要時對支護參數作相應調整，以保證施工安全。

通過采用以上綜合技術措施，保證大巷組安全、順利地通過劉仙莊斷層，不出現大范圍冒頂。

3 主要結論

（1）通過斷層帶巖體內巷道與正常巖體巷道比較，有以下特點:頂部和底部也各存在一個垂直應力削減帶，應力等值線為“柱狀”，呈現出破碎圍巖松散體的四周來壓特征；巷道幫部出現了較大范圍的0壓力帶或可能出現拉應力；頂板下沉是正常巖體的10倍以上，巷道底鼓是正常巖體的3倍以上；兩幫移近量是正常巖體的4倍以上；塑性區是正常巖體的5-6倍。這些應力和位移特征會給支護方式的選擇造成了不利的影響，必須深入做好巷道支護設計工作，并同時合理選擇支護結構與參數。

（2）在施工工藝創新上，要形成斷層破碎帶巷道施工的“早預報、超前探測、短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、勤觀測”的斷層帶施工技術和綜合保障體系，形成超前物探、超前加固、微震開挖、分步動態支護等綜合配套技術。

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