斷層附近半煤巖巷道圍巖控制技術(shù)實踐

賈世釗，權(quán)文斌

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 延安 727307)

0 引言

斷層是礦井生產(chǎn)過程中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，斷層的產(chǎn)生對礦井各個方面影響很大，比如巷道掘進、工作面回采，甚至井田的劃分[1-3]。斷層中存在著破碎帶，其組成成分由松散破碎巖石、泥巖等充填物組成，在物理力學(xué)特性上，該破碎帶與其兩側(cè)巖體具有顯著差異[4-7]，這也導(dǎo)致斷層附近煤巖體的初始應(yīng)力場異于常規(guī)地應(yīng)力場，易產(chǎn)生局部附加應(yīng)力。因此，當巷道掘進在斷層附近時，采動應(yīng)力演化與巷道圍巖變形破壞規(guī)律也會發(fā)生顯著改變，這會引起一些問題比如巷道支護結(jié)構(gòu)失效、巷道失穩(wěn)等。通過對圍繞斷層影響下巷道圍巖變形與破壞問題，從斷層的定性調(diào)查、預(yù)報以及斷層附近破碎圍巖穩(wěn)定性分析等進行了大量研究，得出了很多有價值的結(jié)論，為能更好地研究斷層附近巷道支護打下了基礎(chǔ)[8-10]。但關(guān)于斷層附近半煤巖巷道圍巖控制技術(shù)還需要做大量的研究，為此，以黃陵一號煤礦斷層附近1007進風(fēng)順槽非對稱變形特征為研究對象，分析斷層附近巷道應(yīng)力及變形特征，以期針對性地提出該類巷道的支護方案，從而有效解決現(xiàn)場支護技術(shù)難題，并為類似條件的巷道支護提供借鑒。

1 工程背景

1.1 地質(zhì)條件

陜西黃陵一號煤礦位于陜西省黃陵縣境內(nèi)，地面標高+1 020～+1 296 m，地表出露地層以第4季(Q4)黃土層及松散體沉積物為主。該礦井主采2號煤，埋深316 m，平均厚度2.1 m，傾角1°～5°，屬于近水平煤層。1007進風(fēng)順槽位于十盤區(qū)中部，沿2號煤層底板掘進，屬于半煤巖巷道，掘進長度2 811 m，掘進寬度4.8 m，掘進高度2.8 m。通過三維地震勘探表明，距離巷道50 m存在一條與其近似于平行的斷層，該斷層為正斷層，走向EW—NE—EW，傾向N，傾角70°～80°，落差3～10 m，區(qū)內(nèi)的延展長度約5 212 m。巷道布置平面圖如圖1所示，巷道地質(zhì)柱狀圖見表1。

圖1 1007進風(fēng)順槽采掘工程平面

1.2 巷道圍巖變形特征

巷道掘進期間以及后期圍巖表現(xiàn)出明顯的非對稱變形特征。巷道圍巖穩(wěn)定性較差，尤其是靠近斷層側(cè)上幫角較破碎，頂板出現(xiàn)不均勻沉降，斷層側(cè)下沉600～700 mm左右，明顯大于實體煤側(cè)上幫角；兩幫局部區(qū)域出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，兩幫移近量200～350 mm，斷層側(cè)幫部變形大于實體煤側(cè)；底板相對穩(wěn)定，變形量較小。巷道變形素描如圖2所示。

圖2 巷道變形素描

2 圍巖變形破壞分析

隨著計算機的發(fā)展和數(shù)值模擬軟件的日漸臻熟，數(shù)值模擬分析方法已成為解決采礦工程問題的主要研究手段之一，其中FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件適用于分析特殊地質(zhì)環(huán)境下工程煤巖體應(yīng)力及變形特征。

2.1 計算模型

依據(jù)1007回采巷道地質(zhì)條件，建立如圖3所示的數(shù)值模擬計算模型。模型大小為100 m×30 m×80 m，共生成66 443個節(jié)點，97 213個單元。模型側(cè)面限制水平移動，底面限制垂直位移，上表面為應(yīng)力邊界，施加荷載6.65 MPa模擬上覆巖體自重，材料符合摩爾庫倫模型，模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖3 數(shù)值計算模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

巷道應(yīng)力場分析：應(yīng)力集中是巷道發(fā)生變形的力源，巷道圍巖塑性區(qū)分布特征和位移特征變化的本質(zhì)都是該區(qū)域應(yīng)力集中。圖4為巷道開挖后圍巖應(yīng)力分布情況。由于受到F5斷層影響，斷層側(cè)巷道上幫角及兩幫附近形成應(yīng)力集中區(qū)，采動應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)應(yīng)力峰值達到20 MPa，為原巖應(yīng)力的2倍以上；采動巷道受集中應(yīng)力影響，斷層側(cè)巷道上幫角出現(xiàn)大變形，擠壓應(yīng)力全部作用到該支護結(jié)構(gòu)上，易造成支護結(jié)構(gòu)的偏載現(xiàn)象，進而引起巷道圍巖局部破壞和失穩(wěn)。

圖4 巷道圍巖應(yīng)力場云圖

巷道位移及塑性區(qū)分布特征：巷道開挖后，受集中應(yīng)力影響，斷層側(cè)上肩角首先發(fā)生拉剪混合破壞，導(dǎo)致該部位圍巖向巷道臨空方向出現(xiàn)撓曲變形，且斷層滑移面的側(cè)向約束較低，致使斷層附近剪切破壞程度加劇(圖5)，斷層側(cè)肩角處巖體承載能力以及穩(wěn)定性大幅降低，塑性區(qū)破壞向斷層幫部及肩角部位急劇擴展，斷層側(cè)破壞深度遠大于實體煤側(cè)，破壞區(qū)呈現(xiàn)明顯的非對稱特性；巷道極易出現(xiàn)由斷層側(cè)肩角關(guān)鍵部位的失穩(wěn)，逐步發(fā)展為巷道的整體失穩(wěn)。與此同時，直接頂巖層中含有大量的泥質(zhì)成分，高應(yīng)力場作用下，內(nèi)部裂隙擴展匯集，引起破碎巖體沿破裂面張開、轉(zhuǎn)動、滑移等從而形成非連續(xù)的碎脹大變形，進而加劇巷道破壞與失穩(wěn)。

圖5 巷道圍巖位移及塑性區(qū)分布特征

3 巷道支護方案及效果分析

針對1007進風(fēng)順槽圍巖變形特征，基于數(shù)值模擬巷道圍巖應(yīng)力與變形分析，在地質(zhì)力學(xué)評估基礎(chǔ)上，采用工程類比及現(xiàn)場試驗等方法，綜合確定采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護技術(shù)。

3.1 支護參數(shù)設(shè)計

頂錨桿采用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套使用200 mm×200 mm×12 mm鋼托板，頂錨桿間距800 mm，排距800 mm和1 200 mm交替支護，“六-六”矩形布置。幫錨桿間排距1 050 mm×1 000 mm，“三-三”矩形布置，副幫采用φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套鋼托板尺寸為200 mm×200 mm×12 mm。主幫側(cè)采用φ20 mm×2 500 mm玻璃鋼錨桿，除使用配套托盤外每根錨桿另增加規(guī)格為350 mm×200 mm×50 mm木托板一塊，每根錨桿消耗3節(jié)MSK2335型樹脂；錨索梁采用T140型鋼帶加工，梁長4 400 mm，一梁四索，排距2 000 mm。錨索采用φ17.8mm×8 300 mm鋼絞線，錨深8 000 mm，每根錨索消耗3節(jié)MSK2370型樹脂。頂、幫網(wǎng)均采用塑鋼網(wǎng)，網(wǎng)孔55 mm×50 mm；頂錨網(wǎng)支護距工作面正頭不大于800 mm，幫錨網(wǎng)支護距工作面正頭不大于1 000 mm，錨索支護距臨時支護尾部不大于15 m。巷道支護方案設(shè)計如圖6所示。

圖6 巷道支護方案設(shè)計圖

3.2 應(yīng)用效果

現(xiàn)場采用十字交叉法對巷道的變形進行監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。巷道頂?shù)装逡平繛?45 mm左右，斷層側(cè)煤幫變形量為200 mm左右，實體側(cè)煤幫變形量為155 mm左右。雖然斷層側(cè)巷道幫部和頂板位移量仍大于實體煤幫位移，但整體變形值都在可控范圍內(nèi)，且巷道掘出后25～30 d圍巖變形趨于穩(wěn)定，因此該支護方案有效控制了巷道的非對稱變形，大幅度提升了巷道的穩(wěn)定性。

圖7 巷道圍巖變形曲線

4 結(jié)論

(1)針對黃陵一礦半煤巖回采巷道，分析了斷層附近半煤巖回采巷道圍巖變形破壞特征，指出斷層附近的非對稱應(yīng)力場、關(guān)鍵部位的剪切滑移破壞以及煤巖體碎脹變形是造成該類巷道非對稱變形和支護失效的主要原因。

(2)基于斷層附近半煤巖巷道數(shù)值模擬分析，根據(jù)地質(zhì)條件、工程類比法和現(xiàn)場實踐等方法，綜合確定采用錨桿+錨索梁+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合支護技術(shù)，巷道兩幫收斂量最大值為355 mm，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?45 mm，監(jiān)測后期變形趨于穩(wěn)定，巷道變形量與非對稱變形得到有效控制，圍巖穩(wěn)定性大幅提高。