近斷層巷道開挖穩(wěn)定性分析與支護(hù)技術(shù)

史紅邈

（潞安化工集團(tuán)有限公司 王莊煤礦，山西 長治046031）

伴隨著我國礦井建設(shè)的不斷發(fā)展，巷道開挖遭遇斷層破碎帶的工程實(shí)例越來越多。由于斷層破碎帶一般具有強(qiáng)度低、富水性強(qiáng)、透水性大等特點(diǎn)，并與其前后方巖體存在著顯著的物理力學(xué)性質(zhì)差異。因此，當(dāng)巷道穿越斷層破碎帶時(shí)，巷道周邊圍巖應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)以及滲流場(chǎng)的變化特征十分復(fù)雜，導(dǎo)致巷道突水、坍塌、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效等問題時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約了煤炭資源的安全高效開采[1-3]。

21 世紀(jì)以前，由于巷道掘進(jìn)技術(shù)以及相關(guān)理論知識(shí)水平相對(duì)落后，巷道在施工遭遇斷層時(shí)往往會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的突水和支護(hù)失效事故，這階段的近斷層巷道穩(wěn)定性相關(guān)研究主要集中在施工支護(hù)技術(shù)的總結(jié)實(shí)踐方面[4-6]。而進(jìn)入21 世紀(jì)以后，物理模型試驗(yàn)、地球物理監(jiān)測(cè)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)在煤炭開采行業(yè)開始高速發(fā)展和應(yīng)用[7-9]，這一時(shí)期許多學(xué)者對(duì)不同斷層破碎帶條件下的巖層防突厚度[10-12]、近斷層巷道的圍巖變形破壞特征[13-15]以及斷層圍巖安全施工技術(shù)[16-18]展開了大量的研究，取得了許多豐碩的成果。然而，這些研究成果卻很少綜合考慮巷道圍巖穩(wěn)定性在斷層前后的變化發(fā)展規(guī)律，以及不同支護(hù)方式對(duì)近斷層巷道圍巖變形破壞特征的影響，導(dǎo)致巷道穿越破碎帶支護(hù)成本依舊過高。

以安里煤礦回風(fēng)大巷為依托，采用FLAC3D對(duì)其FD49斷層破碎帶前后方圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)以及塑性區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并研究了錨桿排間距以及注漿加固范圍對(duì)巷道圍巖變形破壞特征的影響；從而針對(duì)不同的圍巖地質(zhì)段，提出了不同的支護(hù)加固方法，確保了工程的安全，可為今后類似相關(guān)工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

安里煤礦回風(fēng)大巷埋深為500 m，設(shè)計(jì)長度約1 248 m，斷面形狀為直墻半圓拱形，其中巷寬4.8 m，墻高1.4 m。根據(jù)勘察報(bào)告，回風(fēng)大巷施工至493 m 時(shí)將揭露FD49斷層破碎帶（傾向135°、傾角66°、寬度6.0 m、上下盤落差20 m、水壓2.0 MPa），巷道過斷層破碎帶斷面圖如圖1。斷層上盤巖性以中砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖層較為穩(wěn)定；下盤以泥巖、煤巖、細(xì)砂巖為主，巖層穩(wěn)定性較差；斷層內(nèi)填充物則為碎屑狀泥煤巖，穩(wěn)定性極差；各層巖石的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 巷道過斷層破碎帶斷面圖Fig.1 Section view of roadway passing through fault fracture zone

2 數(shù)值模擬模型與方案

2.1 數(shù)值模型

根據(jù)上述工程情況，采用FLAC3D建立近斷層巷道開挖施工三維數(shù)值模擬模型（圖2）。模型寬度30 m、高度30 m、長度65 m，共包含410 168 個(gè)節(jié)點(diǎn)和396 552 個(gè)單元。模型邊界條件設(shè)置為頂面施加豎向壓力12 MPa，底面以及四周施加法向約束，破碎帶頂部施加水壓2.0 MPa。模擬巷道開挖施工時(shí)，每步進(jìn)尺為3 m，在設(shè)置當(dāng)前進(jìn)尺水壓為0 的條件下打開滲流分析模式進(jìn)行流固耦合分析。

表1 近斷層巷道周邊巖石的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rocks near fault roadway

圖2 近斷層巷道開挖數(shù)值模擬模型Fig.2 Numerical simulation model of roadway excavation near fault

2.2 數(shù)值模擬方案

為研究近斷層巷道開挖變形破壞特征以及支護(hù)措施，設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)數(shù)值模擬方案。

1）方案1：直接開挖。對(duì)巷道不進(jìn)行任何支護(hù)，對(duì)破碎帶不進(jìn)行任何處理。

2）方案2：疏水開挖。對(duì)巷道不進(jìn)行任何支護(hù)，但對(duì)破碎帶進(jìn)行疏水處理。

3）方案3：疏水后錨噴支護(hù)開挖。對(duì)巷道中砂巖段進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)；對(duì)巷道破碎帶段進(jìn)行疏水以及錨噴支護(hù)；對(duì)巷道泥巖段進(jìn)行錨噴支護(hù)；模擬錨桿間距分別為1.6、1.2、0.8、0.4 m。

4）方案4：疏水加固后錨噴支護(hù)開挖。對(duì)巷道中砂巖段進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)；對(duì)巷道破碎帶段進(jìn)行疏水注漿加固以及錨噴支護(hù)；對(duì)巷道泥巖段進(jìn)行錨噴支護(hù)；模擬注漿加固范圍分別為1、3、5、7 m。

2.3 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

為準(zhǔn)確反應(yīng)巷道周邊巖體的物理力學(xué)特征，在表1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，參考鄭穎人、經(jīng)緯等人[19-20]的研究成果，采用應(yīng)變軟化模型來模擬斷層周邊圍巖；并在保持圍巖內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度始終不變的條件下，取圍巖峰后的殘余內(nèi)聚力為峰值前的35%。

此外，考慮注漿漿液主要是填充巖體內(nèi)部的孔隙，則可以根據(jù)破碎帶的孔隙率、破碎帶圍巖參數(shù)以及漿液凝固參數(shù)，采用線性插入法計(jì)算得到注漿范圍內(nèi)巖體的各個(gè)力學(xué)參數(shù)。

式中：k′為斷層破碎帶加固后的參數(shù)值；k0為斷層破碎帶加固前的參數(shù)值；n 為注漿破碎帶的孔隙率；k1為注漿漿液凝固后的參數(shù)值；η 為注漿填充孔隙的比率。

斷層破碎帶在加固前的彈性模量為0.55 GPa，孔隙率為0.4，注漿漿液填充破碎帶孔隙率為90%，漿液凝固后彈性模量為5.0 GPa；則加固后破碎帶彈性模量為2.13 GPa。

3 無支護(hù)條件下近斷層巷道開挖變形破壞規(guī)律

3.1 斷層破碎帶不進(jìn)行疏水降壓

3.1.1 巷道周邊圍巖應(yīng)力分析

方案1 計(jì)算條件下，開挖面前方巖體豎向應(yīng)力隨開挖面距斷層破碎帶距離L（圖1）的變化曲線如圖3。

圖3 開挖面前方巖體豎向支撐應(yīng)力分布圖Fig.3 Vertical support stress distribution of rock mass before excavation

由圖3 可以看出，巷道開挖面前方巖體豎向應(yīng)力由開挖面往深處，其值首先在開挖面處因應(yīng)力卸載為0；然后在前方0.5 m 處出現(xiàn)最大峰值（約為18～20 MPa），隨后往前5 m 后慢慢降落為原巖應(yīng)力12 MPa；當(dāng)圍巖豎向應(yīng)力傳遞至破碎帶位置時(shí)，由于破碎帶圍巖早已發(fā)生屈服，其值迅速降落至8.0 MPa；當(dāng)經(jīng)過破碎帶區(qū)域后，圍巖豎向應(yīng)力又迅速恢復(fù)至原巖應(yīng)力。

此外還可知，隨著開挖面逐漸向斷層破碎帶逐漸靠近，由于破碎帶圍巖較軟，無法承擔(dān)有效的荷載，導(dǎo)致巷道前方圍巖豎向應(yīng)力集中范圍逐漸減小而峰值應(yīng)力則逐漸增大，當(dāng)開挖面距斷層破碎帶距離L=-6 m 時(shí)，巷道前方圍巖豎向支承應(yīng)力將達(dá)到19.1 MPa（應(yīng)力集中系數(shù)為1.54）。從圍巖彈性支承范圍大小上看，巷道前方圍巖應(yīng)力總是在開挖面前方0.5 m 處出現(xiàn)最大值，這說明巷道開挖引起的前方圍巖塑性區(qū)范圍并不會(huì)因開挖面向斷層破碎帶靠近而引起突變，說明中砂巖對(duì)破碎帶具有良好的保護(hù)和隔水作用，其防突厚度可以相對(duì)較小。

3.1.2 巷道周邊圍巖位移分析

隨著巷道的向前開挖，巷道當(dāng)前進(jìn)尺內(nèi)巖體的最大位移變化曲線如圖4。

圖4 開挖面距斷層不同距離下巷道巖體的最大位移曲線Fig.4 The maximum displacement curves of roadway rock mass at different distances from excavation face to fault

當(dāng)開挖面距斷層距離大于9 m 時(shí)，斷層破碎帶對(duì)當(dāng)前開挖范圍內(nèi)圍巖的位移影響基本很小，此時(shí)，巷道拱底、底板、側(cè)墻以及開挖面的最大位移分別穩(wěn)定在10.4、13.5、5.5、4.0 mm。其后，隨著開挖面的向前推進(jìn)，由于受斷層傾向以及走向的影響，巷道前方以及右側(cè)方巖體的豎向支承應(yīng)力將逐漸增大，同時(shí)斷層水對(duì)巷道右側(cè)以及前方巖體的擠壓作用也越明顯，導(dǎo)致巷道周邊巖體最大位移在拱頂、右墻以及開挖面處迅速增大，而在左墻以及底板處則基本保持不變。當(dāng)開挖面距斷層距離等于3 m 時(shí)，巷道拱頂、右墻以及開挖面巖體的最大位移分別比之前增大了40%、80%、200%；這意味著，可通過監(jiān)測(cè)巷道周邊巖體位移的變化規(guī)律來判斷巷道前方是否存在斷層破碎帶以及破碎帶大致的產(chǎn)狀。

但需要說明的是，當(dāng)前開挖巖體主要為中砂巖，其力學(xué)強(qiáng)度高，因此，即使巷道圍巖位移增大幅度比例較大，但其總體的增長幅值卻相對(duì)較小，很容易引起工作者的忽視。這說明，當(dāng)斷層破碎帶后方圍巖為堅(jiān)硬圍巖時(shí)，斷層破碎帶的突水或失穩(wěn)征兆將不是十分明顯，導(dǎo)致開挖更容易直接揭露斷層，發(fā)生突水坍塌事故。

3.1.3 巷道周邊圍巖水壓分析

開挖面距斷層不同距離下巷道開挖面巖體最大水壓的變化曲線如圖5。

圖5 開挖面距斷層不同距離下開挖面巖體的最大水壓Fig.5 Maximum water pressure of excavated face rock mass at different distances from excavation face to fault

由于中砂巖具有較好的穩(wěn)定性和隔水性，開挖對(duì)中砂巖裂隙擴(kuò)展影響很小。因此，當(dāng)開挖面距斷層距離大于6 m 時(shí)，開挖面前方巖體裂隙并不會(huì)與斷層破碎帶相連形成導(dǎo)水通道，此時(shí)，開挖面巖體最大水壓基本為0。而當(dāng)開挖面距斷層距離等于3 m時(shí)，在破碎帶傾向分布規(guī)律的影響下，巷道開挖首先會(huì)在右下角揭露斷層破碎帶，導(dǎo)致巷道開挖面巖體水壓迅速增大至0.9 MPa，發(fā)生突水事故。由此可知，巷道開挖斷層破碎帶后方堅(jiān)硬巖層時(shí)，其突水往往具有突發(fā)性強(qiáng)、瞬時(shí)水量大等特點(diǎn)。

3.2 斷層破碎帶進(jìn)行疏水降壓

3.2.1 巷道周邊圍巖位移分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知，開挖破碎帶后方堅(jiān)硬巖石易誘發(fā)突水，因此需要在開挖面與破碎帶之間預(yù)留一定的防突巖層厚度后，再對(duì)破碎帶進(jìn)行疏水降壓。方案2 計(jì)算條件下巷道周邊巖體最大位移隨開挖面推進(jìn)的變化曲線如圖6。

圖6 無支護(hù)條件下巷道周邊巖體的最大位移分布曲線Fig.6 The maximum displacement distribution curves of surrounding rock mass without support

由圖6 可知，疏水降壓后巷道周邊圍巖能夠在開挖面推進(jìn)至斷層破碎帶前始終保持穩(wěn)定，即其最大位移始終小于30 mm。而當(dāng)巷道開挖一旦穿過破碎帶，巷道破碎帶圍巖將因缺少支護(hù)而導(dǎo)致徑向位移迅速增大并不斷增長（單進(jìn)尺位移最大增長幅度可達(dá)400 mm），尤其是首先被揭露的底板和右墻位置。當(dāng)巷道開挖進(jìn)入泥巖地層并不斷向前推進(jìn)，遠(yuǎn)離破碎帶區(qū)域的中砂巖位移基本保持不變；而破碎帶圍巖位移則繼續(xù)增長，并帶動(dòng)附近的中砂巖和泥巖產(chǎn)生相應(yīng)的徑向位移。當(dāng)巷道開挖面穿過破碎帶24 m 后，破碎帶區(qū)域圍巖以及距開挖面較遠(yuǎn)處泥巖位移開始趨于穩(wěn)定；此時(shí)，破碎帶圍巖拱頂、右墻、底板以及左墻最大徑向位移分別達(dá)到554.3、752.9、210.2、409.1 mm；而泥巖段圍巖拱頂、右墻、底板以及左墻最大徑向位移則分別為75.2、75.1、33.9、80.0 mm。因此，為保證巷道安全，需要對(duì)巷道泥巖段進(jìn)行錨噴支護(hù)；對(duì)巷道破碎帶段進(jìn)行疏水降壓、注漿并錨噴支護(hù)；對(duì)巷道中砂巖段則只需進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)即可。

3.2.2 巷道周邊圍巖塑性區(qū)分析

無支護(hù)條件下巷道在不同地段的塑性區(qū)分布圖如圖7。

圖7 無支護(hù)條件下不同地段巷道周邊巖體塑性區(qū)分布圖Fig.7 Plastic distribution of surrounding rock mass in different sections of roadway without support

由圖7 可知，巷道開挖后，巷道在中砂巖段的破壞范圍主要集中在巷道兩幫淺部位置，其破壞深度約為1.2 m，破壞高度約為3.6 m；巷道在破碎帶地段的破壞范圍主要集中在巷道拱頂兩側(cè)斜45°方向以下的所有區(qū)域，其在兩幫以及底板的破壞深度高達(dá)10 m 以上；巷道在泥巖段的破壞范圍則主要分布在巷道兩幫淺部位置，其破壞深度約2.4 m，破壞高度約9.4 m。根據(jù)巷道在各個(gè)地段的破壞范圍可知，對(duì)巷道泥巖段應(yīng)進(jìn)行錨噴支護(hù)以加強(qiáng)巷道淺部圍巖的“組合拱”作用，而且錨桿長度不應(yīng)小于2.4 m；對(duì)巷道破碎帶段除了進(jìn)行錨噴支護(hù)外，還應(yīng)進(jìn)行注漿處理，提高破碎帶自身的力學(xué)性質(zhì)。

4 巷道過破碎帶以及軟巖段支護(hù)技術(shù)

4.1 軟巖段錨桿排間距

當(dāng)噴射混凝土厚度為120 mm、錨桿長度為2.4 m 時(shí)，不同排間距下巷道泥巖的位移以及塑性區(qū)分布圖如圖8 和圖9。

圖8 不同錨桿間距下巷道在軟巖段的最大位移Fig.8 The maximum displacement of roadway under different bolt spacing in soft rock segment

對(duì)比圖6 可以看出，當(dāng)錨桿排間距設(shè)置為1.6 m 時(shí)，巷道泥巖在拱頂、底板以及側(cè)墻的徑向最大位移與無支護(hù)條件下對(duì)比分別減小44%、19%以及75%；而破壞深度以及破壞高度則分別減小50%和33%；可見，錨噴支護(hù)對(duì)限制軟巖變形破壞能夠起到良好的效果。隨著錨桿排間距的減小，巷道泥巖徑向位移以及破壞范圍逐漸減小，而且減小的幅度越來越大；當(dāng)錨桿排間距為0.4 m 時(shí)，巷道泥巖在拱頂、側(cè)墻以及底板的最大徑向位移約為18.1、6.4、22.0 mm，塑性區(qū)破壞范圍則僅出現(xiàn)在巷道底部約1.2 m 的區(qū)域。但由于錨桿排間距的減小必然導(dǎo)致施工成本的急劇增加，應(yīng)選擇合理的排間距；由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)錨桿排間距為0.8 m 時(shí)，泥巖各處徑向位移和塑性區(qū)范圍就相對(duì)較小，能夠滿足施工以及使用的要求。

4.2 破碎帶注漿范圍確定

當(dāng)破碎帶采用錨噴支護(hù)后，不同注漿范圍條件下巷道在破碎帶段的最大徑向位移大小如圖10。

圖9 不同錨桿排間距下巷道在軟巖段的塑性區(qū)分布圖Fig.9 Plastic layout of roadway under different bolt spacing in soft rock segment

圖10 巷道破碎帶巖體位移隨注漿范圍的變化曲線Fig.10 The variation curves of rock mass displacement in roadway fracture zone with grouting range

由圖可知，如不對(duì)破碎帶進(jìn)行注漿加固（注漿加固范圍為0），則錨桿支護(hù)很難以限制破碎帶圍巖的位移，此時(shí)，巷道破碎帶圍巖在錨噴支護(hù)后的位移仍可達(dá)680 mm。而進(jìn)行注漿后，破碎帶圍巖就能在淺部區(qū)域形成1 個(gè)統(tǒng)一的整體，能夠有效發(fā)揮組合拱作用，使得自身承載能力得到很大提高，其各處徑向位移值迅速減小。注漿范圍越大，破碎帶淺部區(qū)域圍巖承載性能就越好，相應(yīng)的圍巖位移也就越小；但當(dāng)注漿范圍達(dá)到一定程度時(shí)，淺部圍巖承載能力就會(huì)趨于穩(wěn)定，增大注漿加固范圍對(duì)圍巖位移影響很小。因此，建議本工程破碎帶注漿加固范圍應(yīng)大于3 m，小于5 m。

巷道掘進(jìn)完成后，破碎帶注漿范圍外的水壓會(huì)逐漸回升，巷道破碎帶巖體位移隨回水水壓的變化曲線如圖11。當(dāng)注漿加固范圍小于3 m 時(shí)，破碎帶內(nèi)水壓對(duì)巷道表面巖體位移影響很大，隨著水壓的升高，巷道巖體位移增長速率逐漸加快，水壓達(dá)到3.0 MPa 時(shí)，巷道拱頂沉降量將比掘進(jìn)完成時(shí)增大約35%。當(dāng)注漿加固范圍大于3 m 時(shí)，破碎帶水壓回升對(duì)巷道圍巖位移影響相對(duì)很小，即使水壓達(dá)到3.0 MPa，巷道拱頂沉降也僅比掘進(jìn)完成時(shí)增大約8%。因此，為保證巷道的使用安全，破碎帶的加固范圍也應(yīng)大于3 m。

圖11 巷道破碎帶巖體位移隨回水水壓的變化曲線Fig.11 The variation curves of rock mass displacement in roadway fracture zone with backwater pressure

4.3 注漿以及錨噴支護(hù)后近斷層巷道開挖變形

巷道中砂巖段采用噴射混凝土支護(hù)，巷道斷層段采用疏水降壓+注漿+錨噴支護(hù)，巷道泥巖段采用錨噴支護(hù)后，巷道周邊圍巖位移隨開挖面推進(jìn)距離的變化曲線如圖12。

由圖12 可以看出，當(dāng)巷道開挖推過斷層破碎帶后，中砂巖段巖體位移基本保持穩(wěn)定，此時(shí)，巷道拱頂、底板以及側(cè)墻最大位移分別為19.9、17.8、11.6 mm。當(dāng)巷道開挖推過破碎帶15m 后，巷道破碎帶巖體以及遠(yuǎn)離開挖面（約12 m）的泥巖位移基本保持穩(wěn)定；此時(shí)，破碎帶巖體最大位移出現(xiàn)在拱頂位置，其值約為20.6 mm，泥巖段巖體的最大位移出現(xiàn)在拱頂以及底板位置，分別為27.2 mm 和23.5 mm。這說明，針對(duì)破碎帶前后不同的圍巖地段采用不同的支護(hù)方法，能夠達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又安全的目的，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

1）斷層未疏水降壓情況下，巷道周邊巖體的最大位移出現(xiàn)在拱頂、右墻以及開挖面處，并隨著開挖面的向前推進(jìn)而逐漸增大，但因圍巖較硬，其增長幅度較小，導(dǎo)致斷層破碎帶在突水或失穩(wěn)前的變形征兆將不是十分明顯，導(dǎo)致開挖更容易直接揭露斷層，發(fā)生突水坍塌事故。

圖12 支護(hù)條件下近斷層巷道周邊巖體位移分布曲線Fig.12 The displacement distribution curves of surrounding rock mass near fault roadway under support condition

2）斷層未支護(hù)情況下，巷道開挖一旦揭露破碎帶，破碎帶巖體徑向位移將迅速增大且不斷增長，其單進(jìn)尺最大位移增長幅度可達(dá)400 mm；當(dāng)巷道開挖面穿過破碎帶24 m 后，破碎帶以及破碎帶前方泥巖最大徑向位移將分別達(dá)到752.9 mm 和80.0 mm。

3）隨著錨桿排間距的減小，巷道泥巖徑向位移以及破壞范圍逐漸減小，而且減小的幅度越來越大，綜合考慮經(jīng)濟(jì)與安全方面，建議巷道泥巖以及破碎帶段錨桿排間距選擇0.8 m。

4）隨著破碎帶注漿加固范圍的增大，破碎帶巖體位移逐漸減小，但當(dāng)注漿加固范圍達(dá)到3～5 m 以上時(shí)，再增大注漿加固范圍對(duì)圍巖位移影響很小。

5）針對(duì)破碎帶前中后不同的圍巖地段（中砂巖、破碎帶、泥巖），分別采用噴射混凝土、疏水降壓+注漿+錨噴以及錨噴支護(hù)，能夠達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又安全的目的。