斷層破碎帶煤巷圍巖變形控制技術(shù)研究應用

褚福橋 郝喜慶 桑遠虎

（山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014）

受造煤運動影響，煤系地層普遍賦存斷層等地質(zhì)構(gòu)造。斷層的存在嚴重影響巷道掘進過程的安全，揭露斷層時易發(fā)生冒頂、瓦斯突出及透水等安全事故。斷層附近應力環(huán)境復雜且圍巖結(jié)構(gòu)破碎，巷道掘進支護難度大，且后期維護困難，頻繁返修影響工作面正常生產(chǎn)。因此有必要研究斷層破碎區(qū)巷道破壞特征及變形控制技術(shù)，目前諸多學者對此開展研究工作[1-4]。

為解決高莊煤礦3上05 材料巷揭露斷層過程中巷道斷面收斂顯著問題，基于巷道圍巖破壞特點及現(xiàn)場條件，提出過斷層強力錨注支護技術(shù)，最后進行現(xiàn)場監(jiān)測驗證現(xiàn)場應用效果和技術(shù)可靠性。

1 工程背景

1.1 工作面條件

高莊煤礦3上05 材料巷擔負113上05 工作面的運輸、通風、行人等任務，位于西十一采區(qū)中東部，東部為村莊保護煤柱，西部為西十一采區(qū)四條下山，南部為3上1103 工作面采空區(qū)，北部為3上1107 工作面采空區(qū)。巷道的地面標高為+32.9～+33.6 m，井下標高為-457.1～ -495.0 m，巷道長度為1303.1 m（平距），設計為矩形斷面，巷道凈斷面尺寸為寬×高=4.6×3.6 m。

巷道沿3上煤層頂板掘進，3上煤層平均厚度為4.0 m，傾角為8°～16°。直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖，厚度1.6 m，基本頂巖性為細砂巖，厚度為4.3 m。3下煤層平均厚度為3.5 m，同3上煤層之間為31 m 的粉、細粒砂巖、砂質(zhì)泥巖互層。3下煤層底板為厚度12.8 m 粉砂巖。在3上05 材料巷掘進過程中預計揭露F3斷層，3上05 材料巷過斷層方案如圖1 所示。

圖1 3上05 材料巷過斷層方案（mm）

1.2 原掘進支護參數(shù)

原掘進支護采用錨網(wǎng)帶索主動支護形式，具體參數(shù)為：頂部選用Φ22 mm×2400 mm 高強螺紋鋼讓壓錨桿，幫部選用Φ20 mm×2400 mm 左旋無縱筋全螺紋高強讓壓錨桿，托盤選用長×寬×厚=150×150×10 mm 的高強托盤，錨桿排距為800 mm，間距如圖2 所示。

圖2 3上05 材料巷原掘進支護斷面圖（mm）

頂部錨索型號Ф21.8 mm×5300 mm，錨索托盤選用長×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm 的高強錳板托盤，錨索間排距1700 mm×1600 mm。

錨索與錨桿不布置在同一排，錨桿、錨索錨固方式為加長錨固。

1.3 圍巖變形破壞情況

3上05 材料巷頂板巖性為砂質(zhì)泥巖，受斷層構(gòu)造賦存特點影響，斷層區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)完整性較差，抗擾動能力弱，普通錨桿索支護難以有效控制巷道圍巖破壞及持續(xù)變形，導致后期巷道需頻繁返修。結(jié)合變形數(shù)據(jù)和窺視結(jié)果，將圍巖變形破壞特點總結(jié)如下：

（1）斷層區(qū)域巷道收斂速度較快.巷道掘成一周內(nèi)，其斷面收斂速度可達21～29 mm/d，最大收斂速度98 mm/d。變形平穩(wěn)后觀測得到的頂?shù)装迨諗苛繛?.2～1.4 m，巷幫收斂量為0.9～1.2 m。

（2）穩(wěn)定周期較長。巷道掘成后變形持續(xù)時間較長，需要28～50 d 變形量方能趨于平穩(wěn)。

（3）圍巖結(jié)構(gòu)較為破碎且破壞范圍較大。從圖3 中能夠看出，窺視鉆孔內(nèi)離層及剪切裂隙較為發(fā)育，孔壁粗糙破碎，整體結(jié)構(gòu)性較差。

圖3 圍巖變形破壞情況

1.4 斷層破碎區(qū)圍巖破壞機理

（1）構(gòu)造應力為主導的復雜力學環(huán)境

斷層附近區(qū)域應力環(huán)境復雜，影響支護-圍巖系統(tǒng)的關(guān)鍵是構(gòu)造應力。構(gòu)造應力一般以水平應力為主，是原巖應力水平的2 ～3 倍，這導致巷道圍巖易發(fā)生剪切型破壞。水平應力過大引起的巖層錯動也導致錨桿易發(fā)生剪斷破壞。構(gòu)造應力分布不均，甚至出現(xiàn)“斷層活化”現(xiàn)象，較大的時空分布差異增大了巷道圍巖支護工作的難度。

（2）構(gòu)造運動引起的破碎圍巖條件

在構(gòu)造運動過程中，巖層的錯動擠壓導致斷層附近區(qū)域巖體較為破碎，普通錨桿支護的范圍較小、強度較弱且抗擾動能力差，難以對斷層區(qū)圍巖起到理想的變形控制效果。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)普遍存在錨桿整體脫出、預緊力失效及錨桿剪斷等現(xiàn)象，根本原因是普通錨桿支護不適用于斷層區(qū)圍巖條件。

2 強力錨注支護技術(shù)

2.1 斷層區(qū)圍巖變形控制思路

為適應斷層區(qū)復雜應力環(huán)境，應加強支護強度及范圍，提升支護-圍巖系統(tǒng)剛度；為強化破碎圍巖支護效果，應首先改善圍巖結(jié)構(gòu)完整及力學性能，進而提高圍巖-支護體系統(tǒng)的承載能力。

基于上述分析，提出采用注漿錨索強力錨注技術(shù)對3上05 材料巷斷層破碎區(qū)圍巖進行支護。注漿錨索強力錨注技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要點是強力支護和注漿改性，適用于高水平復雜應力環(huán)境及破碎圍巖條件。一方面注漿錨索的支護范圍及強度更大，通過與普通錨桿配合使用，可形成內(nèi)外多層次圍巖承載系統(tǒng)，將淺部錨桿支護系統(tǒng)同深部錨索支護系統(tǒng)聯(lián)系成整體承載結(jié)構(gòu)；另一方面注漿錨索可在預應力支護的同時進行圍巖注漿加固，改善圍巖結(jié)構(gòu)完整性，增強圍巖自身承載性能。

2.2 強力錨注支護參數(shù)設計

基于原掘進支護方案提出了過斷層的高強錨注支護方案。原方案的錨桿支護參數(shù)不變，頂板錨索改選用Φ22 mm×5300 mm 的注漿錨索，間排距設計為1700 mm×1600 mm，兩幫各增加2 根Φ21.8 mm×6000 mm 普通錨索，間排距設計為1200 mm×1600 mm，錨索托盤選用長×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm 的高強錳板托盤，見圖4。

圖4 強力錨注支護斷面圖（mm）

過斷層期間圍巖破碎，地質(zhì)條件較為復雜，提出的高強錨注支護方案可能需根據(jù)現(xiàn)場條件進行優(yōu)化。在現(xiàn)場應用過程中，應結(jié)合巷道圍巖條件及時優(yōu)化支護參數(shù)，必要時采取補打單體等措施加強支護，保證巷道頂板安全。

3 現(xiàn)場應用效果

采取現(xiàn)場監(jiān)測以驗證過斷層期間強力錨索支護方案的圍巖控制效果，布置了測點監(jiān)測巷道斷面收斂情況，并對注漿錨索支護下頂板圍巖進行了窺視。監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。

（1）從圖5（a）可以看出，采取強力錨注支護后，測點滯后掘進工作面80 m 左右巷道變形趨于平緩。最終頂板下沉量為83 mm，巷幫收斂量為103 mm，底鼓量為19 mm。

（2）根據(jù)圖5（b）頂板圍巖窺視結(jié)果，可得出強力錨注支護有效控制了頂板圍巖變形，同時掘進擾動產(chǎn)生及斷層破碎原生的裂隙均被漿液充填，漿液擴散效果良好。

圖5 巷道表面位移變化曲線圖

（3）同原過斷層掘進支護方案相比，強力錨注支護方案下巷道斷面收斂量降低了90%以上，表明該支護方案對現(xiàn)場具有良好的適用性。

4 結(jié) 論

（1）為解決3上05 材料巷過斷層期間變形顯著問題，分析了原支護失效及圍巖變形破壞原因，提出了強力錨注技術(shù)對巷道圍巖進行加強支護。

（2）變形監(jiān)測結(jié)果表明，強力錨注技術(shù)有效控制了過斷層巷道圍巖穩(wěn)定，巷道斷面收斂量較小，窺視結(jié)果顯示漿液擴散良好，圍巖整體結(jié)構(gòu)得到有效改善。