半煤巖巷過斷層安全技術研究

姬國祥

（山西汾西正佳煤業有限責任公司，山西 隰縣 041300）

1 工程概況

正佳煤業1203 工作面位于礦井一采區一水平，主要開采2 號煤層，煤層厚度0.9～2.09 m，平均厚度1.41 m。東面為相鄰的已回采結束的1201 工作面及小窯采空區，西面無采掘工作面，南面相鄰運輸上山，北面相鄰為聯盛趙家溝煤業。1203 運輸順槽地面標高為+1347～1500 m，主要擔負工作面煤炭運輸、進風、鋪設防塵管路、供水管路等任務。巷道直接頂板為砂礫巖，平均厚度為7.04 m，直接底板為砂質泥巖，平均厚度為1.63 m。1203 運輸順槽凈寬4.0 m、凈高2.5 m，斷面設計為矩形，凈斷面積10 m2。在巷道沿2 號煤層底板掘進的時候揭露2條連續正斷層DF11、DF6，斷層產狀示意如圖1，其中DF11 斷層傾角為46°，落差1.2 m，DF6 斷層傾角為56°，落差3.5 m。

1203 運輸順槽掘進在煤巖體交界處，屬于半煤巖巷，巷道整體完整性面臨嚴峻考驗。開采的2 號煤層煤質較軟，遇到斷層等地質構造帶時，巷道圍巖會出現大面積破碎乃至坍塌，給工作面正常生產活動帶來巨大影響，需要對1203 半煤巖巷過斷層安全技術進行研究，達到控制巷道穩定性保證工作面安全高效生產的要求。

圖1 1203 運輸順槽揭露斷層產狀

2 1203 巷道過斷層穩定性分析

（1）斷層附近力學分析

正斷層在運動時，上部下沉、下部上升，如圖2，其中σ1為垂直主應力，σ3為水平應力，σ 和τ 分別為最大主應力作用于斷層面的正應力和切應力，α 為正斷層傾角。在1203 運輸順槽尚未掘進至斷層破碎帶時，斷層上下盤之間的應力分布相對穩定，數值大小也都在可控的范圍之內。1203 巷道掘進至斷層影響帶附近時，地應力和掘進活動壓力開始沿斷層面集中釋放，掘進過程中產生的σ 正應力作用在上盤，并反復擠壓影響下盤運動，斷層面受到高應力作用，τ 切應力不斷摩擦使得接觸位置圍巖破碎狀態愈加發育，斷層不穩定性增強，巷道整體維護狀態較差。巷道的冒頂和底鼓現象一般由水平應力引起，正斷層時巷道的水平主應力小于垂直應力，容易在巷幫兩側出現應力集中，給巷道維護帶來不利影響。

圖2 正斷層力學分析

（2）斷層附近頂板圍巖裂隙發育特征

采用TYGD10 鉆孔探測儀對1203 運輸順槽在斷層影響帶附近頂板進行圍巖裂隙發育監測，測站布置3 個直徑32 mm、深度8000 mm 的鉆孔，監測結果如圖3。1203 運輸順槽頂板1.0 m 范圍內橫縱裂隙不等間距出現且逐漸變為破碎帶，發育程度較高。裂隙不斷向深部延展，主要表現為橫向發育，并伴隨有離層現象出現，原生破碎帶有所縮減。

圖3 1203 運輸順槽圍巖裂隙發育結果

1203 巷道在掘進至斷層帶附近時，受地應力和構造應力雙重影響，頂板一定范圍內出現大量橫縱裂隙集中發育情況，同時還會出現破碎帶現象。由于1203 巷道屬于半煤巖性質，整體維護狀態較差，需要從巷道掘進過斷層整個過程采取穩定性控制技術來保證1203 運輸順槽穩定。

3 1203 巷道過斷層控制技術

3.1 過斷層方式

1203 運輸順槽向前掘進過程中，為避免斷層破碎帶應力集中影響巷道維護，選擇合理的過斷層方式可以避免巷道接觸面積過大的斷層破碎帶，有利于后續巷道穩定性維護。如圖4，1203 運輸順槽存在挖底、挑頂、煤層中3 種選擇方式，根據斷層破碎帶分析，挖底式巷道經過的破碎區要遠小于挑頂式，且不容易出現冒頂區，挖底下盤減緩了斷層整體動載破壞，有利于集中應力均勻釋放，綜合分析1203 巷道過斷層采用挖底式掘進法。

圖4 1203 運輸順槽過斷層方式示意

3.2 過斷層帶巷道支護方式

針對1203 運輸順槽過斷層破碎圍巖的特點，必須采用主動支護的方式使得圍巖完整性得到保持。

頂錨桿、錨索：頂板采用Φ22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿矩形布置，間排距為1000 mm×1000 mm，每根配套一支CK2355 型錨固劑、一支K2355 型錨固劑和配套的可調心拱形高強度托盤配減摩擦墊片，承載能力不低于250 kN，頂上兩角錨桿鉆眼方向與水平呈75°角鉆進，其他頂錨桿垂直于頂板平面布置。施工時貼頂鋪設1200 mm×4500 mm 的六邊形金屬網。錨索布置：錨索采用Φ21.6 mm×6300 mm 的鋼絞線，配套拱形高強度錨索托盤及鎖具，承載力不低于700 kN。每根錨索配套一支CK2355 型、兩支K2355 型錨固劑。錨索與巷道垂直布置，緊跟工作面迎頭進行支護，不準滯后，間排距為2000 mm×3000 mm。

幫錨桿：兩幫采用Φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿配套1 支CK2355、一支K2355 型錨固劑和配套的可調心拱形高強度托盤配減摩擦墊片，承載能力不低于250 kN；兩幫錨桿每排各打3 根，矩形布置，間排距為1000 mm×1000 mm，幫錨桿緊跟工作面進行，圍巖破碎時，應適當縮小間排距。

W 鋼帶：頂錨桿配合W 鋼帶，厚度4.5 mm，4200 mm×200 mm，5 眼規格。幫錨桿配合W 鋼帶，厚度4.5 mm，400 mm×200 mm。

頂幫錨桿扭矩不小于300 N·m，錨索預緊力不小于200 kN。巷道支護斷面圖如圖5。

圖5 巷道支護斷面圖

3.3 過斷層圍巖控制效果分析

利用JSS30A 監測儀對圍巖的兩幫移近量和頂板下沉量及底板鼓起進行監測，采用KJ616 錨桿錨索應力在線監測系統監測巷道錨桿索過斷層期間的受力活動。測站布置在斷層破碎帶內的1203 巷道內，監測周期為100 d，監測結果如圖6。1203 巷道在過斷層帶掘進之后，圍巖變形經歷了劇烈變形、緩慢變形和穩定保持三個階段，兩幫移近量為85 mm，頂底板移近量為55 mm，穩定時間占監測時間的3/5 以上，圍巖變形控制效果好；巷道頂板中部錨桿受力最大，頂角錨桿受力最小，錨桿受力僅在巷道成型時有劇烈上升狀態，之后一直保持穩定，巷道繼續服務的整體性保證較好。

圖6 1203 巷道控制效果曲線

4 結論

巷道過斷層破碎帶會受到地應力和構造應力的疊加影響，導致頂板出現橫縱裂隙集中發育區域，采用挖底過斷層方式和錨桿索聯合支護控制方式能夠有效減弱斷層破碎帶對巷道穩定性的影響。工程實踐表明，1203 運輸順槽巷道兩幫變形量穩定在85 mm，頂底板變形量穩定在55 mm，錨桿受力均勻穩定，運輸順槽整體控制效果較明顯，能夠滿足1203 工作面安全生產要求。