深部開采軟巖巷道過斷層圍巖控制技術(shù)研究

梁日軍

（山西宏宇誠(chéng)鑄建設(shè)工程有限公司，山西 朔州 038300）

隨著礦井淺部可采區(qū)的逐漸減少，開采深度不斷增加，巷道支護(hù)難度不斷加大。山西馬道頭礦三采區(qū)軌道大巷掘進(jìn)過程中遇到F13 斷層，巖層較軟，以往的支護(hù)方式無法滿足該區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度需求。深部開采時(shí)，巖層地應(yīng)力大，遇到軟巖地層、斷層構(gòu)造情況，巷道支護(hù)難度更大。為解決該問題，以數(shù)值模擬研究為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際制定了巷道支護(hù)措施和后期觀測(cè)，通過后期數(shù)據(jù)觀測(cè)論證了巷道支護(hù)措施可靠性。研究結(jié)果對(duì)其他同類型巷道支護(hù)措施改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)意義[1-8]。

1 概況

礦井核定產(chǎn)能1000 萬t/a，為高瓦斯礦井。三采區(qū)整體構(gòu)造簡(jiǎn)單，主采2#煤層，平均厚度5.86 m，平均傾角為3°。頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖。采用綜合機(jī)械化走向放頂煤開采，一次采高3 m，放頂煤2.86 m。

三采區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，主采2#煤層厚度變化較小，埋深620～900 m。三采區(qū)軌道大巷設(shè)計(jì)高度為6 m，設(shè)計(jì)寬度5 m，頂部、兩幫均采用高強(qiáng)度錨桿，規(guī)格Ф20 mm×2400 mm，錨桿為鋼制錨桿，左右?guī)头謩e使用錨桿4 根，頂板使用錨桿5 根，整體支護(hù)為錨噴支護(hù)方式。巷道斷面如圖1。三采區(qū)軌道大巷掘進(jìn)通過F13 斷層，斷層斷距3 m，上、下盤之間巖石整體破碎，整體巖層比較軟。

圖1 巷道支護(hù)圖（m）

2 巷道圍巖數(shù)值模擬研究

2.1 參數(shù)測(cè)定

為確定巷道圍巖基本參數(shù)，分別在巷道圍巖取頂板、底板、2#煤層試樣，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。試驗(yàn)測(cè)量得到不同巖層基本參數(shù)見表1。

表1 基本參數(shù)表

2.2 數(shù)值模擬

以現(xiàn)場(chǎng)取樣材料所測(cè)得的不同巖層基本參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)行巷道支護(hù)數(shù)值模擬試驗(yàn)。使用模擬軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，分別模擬當(dāng)前支護(hù)方式下圍巖穩(wěn)定性以及加強(qiáng)支護(hù)后巷道圍巖穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，三采區(qū)軌道大巷地應(yīng)力為6.9 MPa。根據(jù)測(cè)量，巷道掘進(jìn)通過F13 斷層過程中，巷道頂板距離斷層位置約為1 m，因此采用錨桿支護(hù)時(shí)1 m范圍以外錨固強(qiáng)度將會(huì)減小。

模擬得到當(dāng)前支護(hù)情況下巷道圍巖應(yīng)力分布情況如圖2。由圖2 可知，當(dāng)前支護(hù)情況下，巷道底板起鼓概率較大，頂板有出現(xiàn)變形、垮落的危險(xiǎn)，在頂板1 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中、圍巖受力過大的情況；頂板中部區(qū)域應(yīng)力為反向內(nèi)聚力，內(nèi)部為外壓力，因此底鼓情況較為嚴(yán)重。

圖2 原支護(hù)情況下巷道圍巖應(yīng)力分布圖

為保證巷道整體支護(hù)穩(wěn)定性，對(duì)巷道斷面加強(qiáng)支護(hù)，假設(shè)分別對(duì)巷道頂板進(jìn)行U 型鋼支護(hù)，底板進(jìn)行混凝土澆筑支護(hù)，進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖3。

圖3 加強(qiáng)支護(hù)后巷道圍巖應(yīng)力分布圖

由圖3 可知，巷道加強(qiáng)支護(hù)后，頂板和左右?guī)蛧鷰r穩(wěn)定，未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，底板未出現(xiàn)反向內(nèi)聚應(yīng)力現(xiàn)象，整個(gè)巷道圍巖穩(wěn)定。

3 巷道支護(hù)措施及效果考察

3.1 支護(hù)措施

根據(jù)支護(hù)方式數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，巷道應(yīng)進(jìn)行U 型鋼支護(hù)。U 型鋼規(guī)格為25U，24.95 kg/m，U 型鋼排距1 m。底板鋪設(shè)混凝土+網(wǎng)片，網(wǎng)片規(guī)格20 mm×20 mm。支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖4。

圖4 加強(qiáng)支護(hù)后的巷道（m）

3.2 效果考察

采用優(yōu)化后支護(hù)方式，支護(hù)完成后對(duì)巷道頂板安裝頂板離層儀，對(duì)離層儀數(shù)據(jù)進(jìn)行為期90 d 的統(tǒng)計(jì)考察，考察結(jié)果如圖5。

圖5 巷道頂板離層儀數(shù)據(jù)圖

通過對(duì)巷道掘進(jìn)通過F13 斷層范圍內(nèi)頂板離層儀變化量平均量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，該區(qū)域內(nèi)深部最大位移量40 mm，淺部最大位移量為15 mm，整體變形量在合理范圍內(nèi)；巷道位移量在第60 天后整體趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，巷道頂板、兩幫及底板未出現(xiàn)變形嚴(yán)重、垮落等現(xiàn)象。

4 結(jié)語

（1）深部開采掘進(jìn)巷道過斷層期間，巖層較軟，僅通過錨噴支護(hù)措施無法滿足支護(hù)要求，會(huì)出現(xiàn)底鼓、頂板垮落的現(xiàn)象。

（2）頂板使用25U 型鋼進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，底板使用混凝土+網(wǎng)片支護(hù)，提高了巷道整體性，有效控制了深部開采過斷層的支護(hù)問題。