極近距離煤層巷道掘進過斷層頂板控制技術

呂經國

（山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司，山西 忻州 036500）

1 工程背景

山西河曲晉神磁窯溝煤礦位于山西忻州河曲縣，磁窯溝礦11102回風巷道直接頂為厚度5.50m左右的泥巖夾煤線，泥巖裂隙發育，易冒落。直接頂上部為10-2#煤層保護煤柱，10-2#煤層上部的砂巖隨工作面采空后垮落；直接底為厚度0.45m左右泥巖；基本底為厚度5.50～22.07m的砂質泥巖。11102回風巷道掘進工作面的11煤層厚度為3.0～7.5m，平均厚度為4.5m，夾矸0-1層，平均厚度0.2m，最大厚度0.4m。

11102回風巷道寬度5.2m，高度3.7m，斷面面積19.24m2。11102回風巷道已經掘進至720m，720m處巷道迎頭出現700mm正斷層。受斷層影響巷道副幫割矸700mm，同時巷道頂部矸石破碎，副幫頂部出現離層，離層范圍：長2m×寬2m×深1m，且巷道兩幫均有片幫、破碎現象。11102回風巷道位置如圖1所示。

圖1 11102回風巷道位置關系圖

2 斷層處巷道失穩原因分析

（1）斷層構造應力對巷道的影響

由于斷層區域內地應力作用分布復雜，巷道開挖后構造應力重新分布。11102回風巷掘進工作面所遇斷層為正斷層，當巷道掘進至斷層附近時，掘進巷道圍巖應力受斷層構造應力作用產生顯著改變，斷層發生活化，斷層接觸面巖石破碎產生滑移，斷層構造應力再次作用于掘進巷道周圍巖層。

（2）地應力對巷道的影響

斷層帶區域內巷道變形、破壞和失穩受地應力影響明顯。深部地應力中水平地應力比垂直地應力更大，水平應力對巷道造成主要影響是巷道頂底板變形破壞，而垂直應力主要造成巷道兩幫變形破壞。11102回風掘進巷道上方7m處為采空區，掘進巷道上方巖層重量作用于巷道，使得巷道垂直應力大于水平應力，從現場實際情況來看巷道兩側圍巖出現片幫破壞。

（3）巷道臨界范圍失穩理論計算

由于斷層帶中的巷道巖石松散破碎，塑性區范圍更大，常規理論方法無法計算塑性區半徑，滿足不了支護要求。利用引入了Hoek-Brown常數（m1）和巖體地質強度指標（GSI）2個常數的Hoek-Brown準則，可以準確地計算出斷層帶中巷道圍巖破碎臨界范圍。失穩臨界理論模型如圖2所示。

修正后的Hoek-Brown準則如式（1）：

式中：

取m=m1e(GSI-100)∕28，s=e(GSI-100)/9；

σθ-巖體破壞時的最大主應力；

σr-巖體破壞時的最小主應力；

c-巖石單軸抗壓強度。

圖2 失穩臨界理論模型

巷道臨界失穩塑性區破碎區域關系為：

式中：

a-巷道半徑；

r-巷道中心到彈塑性交界面的距離；

R0-臨界失穩范圍；

P0-圍巖應力。

聯立式（1）（2）（3）得，圍巖臨界失穩范圍公式：

根據磁窯溝礦實際地質資料可取圍巖參數為：GSI取60，c取12.6MPa，P0取6.67MPa，a取2.6m，代入式（4）中計算得到斷層帶破碎巷道圍巖臨界失穩范圍為2.119m。

3 補強支護方案

根據上述理論分析以及磁窯溝礦11102回風巷道實際地質狀況，過斷層時提出如下補強支護方案。巷道支護示意圖如圖3所示。

（1）正常情況下循環進度5m，由于受斷層的影響，其頂板及幫部可能會出現破碎，要及時進行巷道頂板支護，頂錨桿間排距為1.0×1.0m，保證錨桿緊固力大于100N·m的要求。如發現頂板及幫部破碎或次生斷層出現，立即減小循環進度，由5m降為2.5m，采取短掘短支，緩慢抬底，同時錨索、鋼帶及時跟進工作面，2m一條鋼帶，每條鋼帶3根錨索，幫支護緊跟工作面迎頭。

（2）由于該斷層區域內頂板離層，錨索必須及時緊固，預緊力大于150kN。要求在巷道頂板支護完成時，立即進行幫部支護，緊跟工作面迎頭，幫網與幫網，幫網與頂網搭接200mm，每300mm用14#鐵絲扭結。錨索施工時必須及時張拉，確保錨索支護的錨固段在堅硬巖層上。如頂板離層后層間距小于5m，頂幫網片支護到位后，則對該斷層區域進行架棚支護。架棚采用11#工字鋼，棚距1m，工字鋼棚滯后工作面不得超過3m。工字鋼支架規格：11102回風巷道橫梁長5200mm，棚腿長3600mm，棚距1000mm，如圖3（b）所示。

4 數值模擬

根據磁窯溝實際地質概況，并結合11102工作面鉆孔柱狀圖，運用MIDAS軟件建模并對網格進行劃分，局部研究區域加密，建立磁窯溝過斷層巷道模型，并導入FLAC3D數值模擬軟件中進行計算。模型參數賦值根據地質報告中的巖層物理力學參數進行賦值，模型頂部自由，四周限制其位移邊界條件，底部固支。應力邊界條件為：頂部施加5MPa垂直地應力，四周施加6MPa水平地應力，模擬初始地應力場分布。模擬圖及模擬結果圖如圖4所示。

圖3 巷道支護示意圖

圖4 11102回風巷遇斷層數值模擬圖

由圖4可知，11102回風巷掘進未進行補強支護前，巷道底板最大位移量為13.2mm，頂板最大位移量為28.5mm，左幫最大位移量為28.8mm，右幫最大位移量為29.4mm，斷面收縮率為2.23%。11102回風巷掘進采用補強支護后，巷道底板最大位移量為12.7mm，頂板最大位移量為24.7mm，左幫最大位移量為24.6mm，右幫最大位移量為24.7mm，巷道斷面收縮率為2.1%。較補強前，頂板最大位移量下降3.8%，底板最大位移量下降3.8%，左幫最大位移量下降16.0%，右最大位移量下降16.0%，斷面收縮率下降0.89%，巷道穩定性高。

5 巷道位移監測

按照補強支護方案對11102回風巷進行支護，通過布置測點的方式對巷道兩幫及頂底板進行了圍巖移近量監測，對采集到的數據進行分析，繪制出11102回風巷圍巖位移監測圖，如圖5所示。

圖5 11102回風巷圍巖位移監測圖

由圖5（a）可知，不進行支護時巷道兩幫最大移近量283.3mm，支護后巷道兩幫最大移近量減少到100.7mm，相對于支護前減少了64.5%（182.6mm）。由圖5（b）可知，不進行巷道頂底板支護時巷道頂底板最大移近量為313.6mm，支護后巷道頂底板整體移近量減少，最大移近量減小到122.3mm，相對于支護前減少了61.0%（191.3mm）。

補強支護方案對11102回風巷進行加固后，巷道圍巖穩定性有了明顯提高，巷道兩幫及頂底板移近量減少明顯，說明補強支護方案是可行的。

6 結論

為研究極近距離采空區下巷道掘進過斷層巷道控制技術，以磁窯溝煤礦11102回風巷道為工程背景，采用理論分析、理論計算和數值模擬等方法進行研究，研究結果表明：

（1）磁窯溝礦11102回風巷過斷層巷道失穩是由于巷道圍巖應力受斷層構造應力發生明顯改變，此外斷層區域內圍巖破碎強度低；

（2）通過數值模擬對比分析，補強支護后的方案比原方案控制效果提升，巷道穩定性較高。