辛置煤礦2-5591巷道過斷層支護技術研究

楊 焱

（霍州煤電集團辛置煤礦,山西 霍州031412）

0 引言

對煤礦井下巷道圍巖穩定性影響較大的地質構造之一便是斷層[1]，斷層的存在會改變巷道周邊圍巖的應力分布狀況[2]，同時頂底板的圍巖屬性也可能發生變化[3-4]，給巷道的掘進以及支護帶來極大挑戰[5]。

辛置煤礦2-5591巷道在掘進過程中揭露F8斷層，該斷層走向為N67°W，傾向為NW，傾角處于30°～42°，落差達到了6m，屬于逆斷層。受斷層影響，巷道頂板下沉明顯，淋水現象嚴重，同時兩幫出現了一定程度的片幫，工作人員的作業環境較差，生命安全得不到有效保障。因此探明巷道在斷層破碎帶中的破壞原因并對原支護方案進行相應優化，成為了當前礦井急需解決的首要任務。

1 工程概況

辛置煤礦2-559工作面主要對2#煤層進行回采，該工作面埋深達到了450m，地表主要為農田以及山丘溝壑。其中2-5591巷道服務于2-559工作面，主要用于進風、行人、運煤，該巷為矩形巷道，掘進總長度為1450m，在掘進期間揭露F8斷層，斷層與巷道間的位置關系如圖1所示。

圖1 斷層與巷道間位置關系示意圖

2-5591巷道凈寬為4m，凈高為3.5m，主要采用錨網梁聯合支護方式對其進行支護。頂板每排布置4根錨桿，間排距為1000mm×1000mm，最外側錨桿距離巷幫0.5m，錨桿型號為φ20×2200mm的左旋螺紋鋼高強錨桿。頂板錨索采用φ17.8×6400mm的鋼絞線，第一排在巷中布置一根，第二排在距巷中心左右兩側1200mm處分別布置一根，依次循環，排距為1000mm，幫部每排布置4根錨桿，間排距為800mm×1000mm，頂錨桿距離頂板550mm，巷道錨桿（索）進行布置時均垂直于巷道斷面，圖2為該巷的斷面支護圖。

圖2 巷道斷面支護圖

2 現場及實驗室測試

2.1 頂底板圍巖物理力學參數測試

2-5591巷道受F8斷層影響破壞嚴重，為了探究該巷的破壞原因，在位于F8斷層破碎帶中的巷道段打鉆取芯（位置如圖1所示），并將所取巖芯密封帶回實驗室對其物理力學參數以及礦物成份進行測試，其中頂底板各巖層的物理力學參數測試結果如表1所示。

表1 工作面頂底板圍巖賦存情況及力學參數統計表

從表1中可以看出2-5591巷道的偽頂為0.3m厚的薄煤層，直接頂為2.4m厚的泥巖和5.5m厚的砂質泥巖，老頂為K8中砂巖，其中泥巖、砂質泥巖和2#煤層的抗壓強度分別為17.7MPa、22.8MPa和10.6MPa，直接底為泥巖，該巖層的抗壓強度僅為18.7MPa。

2.2 圍巖礦物成份測試

礦物成份是決定巖層物理力學的根本因素，將所取巖芯帶回實驗后通過X射線衍射實驗對其圍巖組分進行了測試。測試結果顯示所取巖樣含有較多的伊利石、蒙脫石以及高嶺石，伊利石和高嶺石親水性較強，遇水易膨脹、崩解，布置于F8斷層破碎帶中2-5591巷道頂板存在淋水的現象，加速了巷道頂板圍巖的破壞。

2.3 瞬變電磁法物探

由于布置于F8斷層破碎帶中的2-5591巷道頂板存在著淋水現象，掌握該斷層的富水性，對于如何控制巷道圍巖具有重要意義。在2-5591巷道原取芯處布置測站并采用坑透以及瞬變電磁法對其富水性進行了測試，測試結果顯示F8斷層內部場強較小且不穩定，該斷層存在著一定程度的富水性，但富水性整體偏弱，斷層影響巷道的掘進距離約為85m。

2.4 地應力測試

在2-5591巷道原取芯處共布置了兩個地應力測站，使用地應力解除法對其地應力大小以及分布狀況進行了測試，測試結果如表2所示。

表2 地應力測試結果

由表2數據可知，兩個測站所受的最大應力均為水平應力，分別達到了18.65MPa和18.49MPa，所對應的側壓系數分被達到了1.62和1.58，巷道受水平構造應力影響比較明顯，這對錨桿、錨索的支護提出了較高要求。

3 巷道破壞特征及原因

未揭露斷層時，2-5591巷道在原有的支護方式下圍巖穩定性較好，當巷道揭露F8斷層時，該巷的圍巖不穩定并發生破壞，其破壞特征如下：

1）巷道頂板下沉明顯，同時淋水現象嚴重，局部地區的錨桿、錨索出現了剪斷。

2）巷道圍巖中的泥化物質在礦井水的作用下發生了膨脹、崩解以及軟化，加速了巷道圍巖的破壞。

3）巷道幫部發生了嚴重的片幫，特別是巷道兩幫的肩角處。

根據巷道的破壞特征以及現場、實驗室的測試結果，將破壞原因歸結為如下幾點：

1）2-5591巷道的直接底和直接頂抗壓強度偏低，且圍巖內部含有較多的親水性礦物，在頂板淋水的情況下，巷道圍巖易吸水軟化。

2）位于F8斷層破碎帶中的巷道段承受的最大應力為水平應力，而該巷原有支護強度偏低，對巷道圍巖的控制效果較差。

3）巷幫局部地段為煤層且強度偏低，對頂板上覆巖層的承載能力有限，在較大的支撐壓力下易發生片幫。

4 支護方案優化

根據現場和試驗室測試所得的數據，以及巷道變形破壞原因分析結果，對接下來的過斷層破碎帶段巷道采取以下治理措施。

1）在原支護方案的基礎上對幫部錨桿進行更換，改用φ22×2500mm的左旋螺紋鋼高強錨桿。由于直接頂整體強度較低且易吸水軟化，故需要對其采取注漿措施，以補強頂板淺層圍巖，因此頂板錨桿改用為注漿錨桿，直徑為30mm，長度為2500mm，注漿材料選用425#普通硅酸鹽水泥，考慮到結石體的強度、漿液的凝結時間以及可泵程度，將水灰比設為0.6:1，由于直接頂強度偏低，故注漿壓力不宜過大，可將其設為2.8MPa。頂板和幫部錨桿的間距不變，排距縮減至900mm。頂板錨索在原方案的支護基礎上采用φ21.6×7000mm的預應力鋼絞線，排距縮減至900mm。

2）為了將頂板深部的水引流到巷道底板水溝，在巷道頂板距左右兩幫1m處分別布置一根直徑為35mm，長度為8000mm的導水管，導水鉆孔均垂直于巷道頂板施工。

支護方案優化后的巷道斷面支護如圖3所示：

圖3 優化后的巷道斷面支護圖

5 工程監測

支護優化方案實施后，在2-5591巷道中選取合適的位置布置測站（如圖1）并對其圍巖變形進行了為期一個月的現場監測，巷道圍巖變形隨監測時間的變化曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出在對巷道進行治理前，兩幫移近量達到了227mm，頂底板收斂量達到了327mm，巷道圍巖破壞嚴重，在對其進行治理后兩幫移近量、頂底板收斂量分別下降至37mm和56mm，巷道圍巖穩定性顯著提高。

圖4 巷道圍巖變形隨監測時間的變化曲線

6 結論

1）F8斷層富水性較弱，2-5591巷道揭露F8斷層時，受水平構造應力明顯，直接頂、直接底以及幫部圍巖強度偏低，由于其頂板存在淋水現象，巷道圍巖易吸水軟化，加之該巷支護強度不足，在上述因素的共同作用下圍巖變形嚴重。

2）針對巷道變形破壞的原因，本文針對性的提出加大支護強度+頂板注漿+預埋導水管的治理措施對該巷進行治理，工程監測結果顯示在該治理措施治理下巷道圍巖穩定性得到了大幅提高。