掘進工作面過斷層圍巖控制技術分析與應用

郜陶陶

（山西高平科興前和煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

前和煤業公司S1311 工作面回風順槽北部為未回采區域，南鄰已回采結束的S1309 工作面，西部為13 采區軌道下山，東部為邊界保護煤柱。工作面標高+539.7～+575.9 m，主采3 號煤層，煤層傾角5°～10°，平均8°，煤層厚度3.98～6.64 m，平均5.65 m，工作面整體為一北西傾的單斜構造形態。工作面煤層頂底板巖層性質具體情況見表1。

S1311 回風順槽在向前掘進186 m 時揭露箕F11 正斷層，斷層產狀：77°∠71°，落差5.5 m。為掌握斷層對巷道圍巖應力的影響范圍及分布規律，以制定科學合理的過斷層方案，確保工作面安全順利過斷層，采取數值模擬的方法對巷道過斷層前后應力變化情況進行模擬分析。

2 斷層構造帶巷道應力分布規律

2.1 模型構建

運用Mohr-Coulomb 架構模型，根據工作面頂底板煤巖層有關地質資料，依據S1311 回風順槽實際煤巖層厚度建立巷道架構模型。分別將煤層走向、煤層傾向和巷道頂板方向設為X 軸、Y 軸和Z 軸，建立長度為100 m、寬度為45 m、高度為55 m 的巷道模型，如圖1。以左側巷道模型邊界與巷道煤層交接點為原點，按照巷道掘進施工從左到右的方向標定X 軸，將斷層設置在X 軸方向坐標45 m 位置處。為使模擬試驗與現場實際情況更加相符，在模型頂板上方施加一個大小為18.12 MPa 的壓力用來模擬真實巷道中巷道上覆巖層的自重力，將模型底部視作固定邊界條件，在其左右兩邊施以水平約束條件。

表1 S1311 工作面煤層頂底板巖性情況表

圖1 巷道模型示意圖

2.2 巷道施工動態模擬分析

S1311 回風順槽巷道施工斷面為矩形，斷面大小為4.2 m×3.5 m，采用錨網索聯合支護，施工排距為0.8 m。模擬試驗中，將巷道掘進方向設定為從左向右施工，將其施工過程按照動態進行劃分。為了能夠掌握巷道掘進施工過程中圍巖應力變化分布情況及其與巷道所揭露的斷層距離之間的關系，在模擬過程中，將巷道掘進施工前后巷道圍巖應力變化分布情況分別進行詳細記錄。通過將記錄的數據進行整理分析后，繪制巷道在未開始掘進時圍巖應力變化曲線（如圖2）和掘進時應力變化情況與距離斷層之間的距離的變化曲線（如圖3）。

圖2 巷道未掘進時圍巖應力分布

在圖2 中，對巷道未開始掘進時巷道原始應力分布情況進行記錄。從圖中可知，在斷層位置在X軸坐標45 m 處巷道應力達到最大值23.3 MPa，而在中心處兩邊的應力大小變化情況基本一致。由此可知，在巷道未施工前其所受到的圍巖應力是以斷層為中心向兩邊呈左右均勻對稱分布的，應力值大小是由中心位置向兩邊逐漸遞減的。由此可以說明巷道應力大小與距斷層的距離成反比，且從距離斷層25 m以外位置開始，應力變化基本處于平穩狀態，說明該斷層對巷道圍巖應力的影響范圍為距斷層前后15～75 m 之間。

圖3 巷道掘進時不同測點圍巖應力變化曲線

在圖3 中，對巷道掘進時在距離斷層不同的位置監測的巷道應力大小變化情況進行對比分析。根據模擬，斷層對巷道圍巖應力的影響距離為30 m，據此從斷層中心位置的左側開始每間隔5 m 分別設置1 個測點，共計選取了4 個測點。根據圖中測點數據變化分析可知，當測點不變時（以距斷層左側10 m 位置的測點為例），當掘進巷道位置距離斷層30 m 時，巷道應力值為23.6 MPa，當掘進巷道位置與斷層相距5 m 時，巷道應力值大小為27.8 MPa。據此可得知，在同一位置，當掘進面距離斷層越近時，巷道的應力值越大。當距離斷層的距離大小一定時（以距離斷層位置5 m 為例），對4 個測點的應力值數據進行分析，根據監測的數據結果整理分析可知，距離斷層位置越近的測點其應力值越大，且距離斷層位置越近，巷道應力值增長越大。

3 巷道過斷層施工方法

根據以上模擬分析可知，巷道掘進時受斷層影響范圍在30 m 左右，且掘進面距離斷層越近，其受到的應力越集中。根據前述地質資料可知，S1311 回風順槽掘進時揭露的箕F11 斷層產狀為77°∠71°，落差為5.5 m。在巷道掘進過斷層時，采取的方法主要有后退挑頂法、后退臥底法和直接通過的方法[1]。后退挑頂法主要適用于掘進面在斷層上盤中施工，后退臥底法主要適用于掘進面在斷層下盤中施工，直接通過法主要適用于斷層落差較小、頂板較為完整易于支護的地點[2-4]。本文中S1311 回風順槽在斷層上盤中掘進施工，且揭露的斷層落差較大，因此選擇后退挑頂的方法過斷層比較合適。

3.1 后退挑頂過斷層方案

后退挑頂法是在掘進施工揭露斷層時，根據超前探查的地質資料分析出巷道即將進入斷層上盤時，提前利用斷層及掘進巷道的相關資料和計算公式計算出巷道需要挑頂起坡的高度及挑頂開口的位置，使巷道掘進至斷層位置時巷道的頂部恰好能夠與斷層面下盤的煤層頂板處于同一位置。巷道后退挑頂法過斷層施工示意圖如圖4。

圖4 巷道后退挑頂法過斷層施工示意圖

3.2 挑頂后退距離計算

根據三角函數公式可以計算出挑頂后退距離：

式中：S 為巷道后退挑頂距離，m；h 為斷層落差高度，m；θ 為巷道上山掘進挑頂施工坡度，取10°。

將h=5.5 m 代入公式（1）得出S=31.4 m，即以10°的坡度上坡施工時，需在距離斷層31.4 m 位置開始挑頂施工。

3.3 過斷層巷道支護方案

因斷層帶區域巷道頂板破碎、應力較為集中，巷道掘進過程中，支護較為困難，為保證施工安全，需選擇合適的支護方案。根據巷道模擬結果，選擇對斷層影響前后30 m 范圍的巷道采用錨（桿）索聯合支護和壁后注漿加固的方式進行加強支護[4]。

采用的錨桿為Φ22 mm×2400 mm 左旋無縱筋錨桿，采用的錨固劑型號為Z2350 和K2350。錨桿布置：頂部布置6 根錨桿，錨桿間排距均為800 mm；幫部布置5 根錨桿，錨桿間排距為800 mm×800 mm。錨桿預緊力矩不低于260 N·m，煤體中錨桿預緊力矩不低于200 N·m。錨索布置：巷道頂部錨索呈“3-3”布置，間排距1600 mm×800 mm，錨索采用Ф18.9 mm×7200 mm 鋼絞線，錨索預緊力不低于100 kN。巷道支護示意圖如圖5。

圖5 巷道掘進支護示意圖

為加強巷道支護效果，對斷層影響前后30 m范圍內的巷道進行注漿加固。注漿采用425#標號普通硅酸鹽水泥，水灰比為1:0.7，選用ZBQ-50/6 型氣動注漿泵進行注漿，注漿孔深度50 mm，呈上下雙排孔布置。

3.4 巷道支護模擬及應用效果分析

為檢驗上述支護方案的有效性，對該巷道支護方案進行了數值模擬驗證。通過驗證結果顯示，應用該方案后，巷道圍巖位移大小變化量明顯降低。為驗證該支護設計方案在實際應用中所產生的效果，在該段巷道掘進施工完成后對其進行了巷道圍巖變形觀測，并將觀測的數據進行收集整理分析，最后得到了如圖6 所示的巷道圍巖變形曲線圖。

圖6 巷道圍巖變形曲線圖

由圖6 中可以分析得知，巷道掘進施工結束后前10 d，巷道圍巖變形量最大，在10～40 d 內，巷道圍巖變形量逐漸趨緩，在40 d 以后，巷道圍巖變形量基本達到穩定狀態。其中巷道頂板下沉量保持在78 mm，底板底鼓量保持在85 mm，實體煤幫幫部位移量穩定在70 mm，煤柱幫幫部位移量穩定在98 mm。

4 結論

（1）通過運用數值模擬的方式對S1311 回風順槽掘進工作面巷道過斷層應力變化情況進行模擬分析，得知斷層對掘進巷道應力的影響范圍在30 m左右，且隨著掘進面與斷層的距離越近，巷道的應力越大且遞增值也逐漸增大。

（2）通過模擬計算分析，S1311 回風順槽掘進工作面巷道過斷層時，在距離斷層31.4 m 位置時提前按照+10°坡度進行挑頂施工，可以使巷道掘進至斷層位置時巷道的頂部恰好能夠與斷層面下盤的煤層頂板處于同一位置，保證順利過斷層。

（3）在過斷層施工過程中，采用錨（桿）索聯合支護和壁后注漿加固的方式對巷道進行加強支護。經過模擬及實測發現，此種支護設計方案能夠達到支護要求，巷道變形量在允許范圍內，能夠保證掘進工作面安全順利通過箕F11 斷層。