3300回風巷掘進工作面過斷層圍巖控制技術研究

王愛軍

（山西陽城陽泰集團白溝煤業有限公司，山西 陽城 048100）

斷層是一種常見的地質構造，因斷層造成的煤巖層錯位、圍巖破碎及應力集中等問題，給煤礦生產增加施工難度及安全風險[1-2]。因此，掘進或回采工作面過斷層前必須充分分析斷層特征、圍巖應力分布及影響范圍，制定合理的過斷層方案，制定針對性的補強支護方案，以確保安全過斷層。本文以白溝煤礦3300工作面回風巷過F3斷層為例，分析斷層特征及應力分布，制定針對性過斷層方案及補強支護方案。

1 工程概況

白溝煤礦3300工作面位于礦井西部的33采區，回采3號煤層，煤層厚度3.6～6.3 m。直接頂為粉砂巖，均厚4.6 m；基本頂為砂質泥巖，均厚8.5 m；直接底為砂質泥巖，均厚6.8 m；基本底為粉砂巖，均厚7.3 m。煤巖層傾角3°～6°，整體呈南高北低的單斜構造。3300工作面回風巷設計走向長度1360 m，巷道沿3號煤層頂板掘進，采用錨網支護，斷面為矩形，設計巷道規格為寬×高=4 m×3.6 m。3300工作面回風巷掘進至860 m處揭露F3正斷層，斷層產狀為北偏東40°，傾角62°，落差5.2 m，斷層處煤厚4.3 m，煤層完全斷開，巷道沿3號煤層頂板掘進至揭露斷層時已掘進至斷層下盤的煤層底板砂質泥巖內，為此，需制定過斷層方案及補強支護形式。煤層頂、底板巖性物理特征見表1。

2 斷層區域應力分布規律分析

2.1 數值模型的建立

數值模型采用FLAC3D軟件，選用Mohr-Coulomb本構模型，根據斷層附近3號煤層頂、底板巖性及厚度建立巖層模型，模型長度90 m，寬度45 m，高度55 m，X軸為煤巖層走向，Y軸為傾向，Z軸為頂底板垂直方向。為通過加載觀測斷層附近的應力分布規律，將斷層位置設置在模型的中部，即X軸坐標的45 m處，將底部設置為固定邊界條件，并將水平方向施加水平約束，然后根據上覆巖層自重，對模型頂部施加17.5 MPa垂直壓力，完成斷層區域原巖應力模型的建立。建立的模型如圖1。

圖1 斷層區域原巖應力模型

2.2 擾動模擬設置及結果分析

為分析掘進擾動前后斷層附近應力變化情況，首先根據初始加載應力記錄斷層附近的應力變化情況，并繪制應力變化曲線圖如圖2所示。然后分析掘進擾動下斷層區域應力分布變化情況，設置X軸從左到右為巷道的掘進方向，巷道設置為寬×高=4 m×3.6 m的矩形斷面，掘進循環進度根據實際情況設置為0.8 m，將每個循環的應力變化整理出距離斷層不同位置處的應力變化曲線圖，如圖3。

根據圖2可知，在初始加載應力下，斷層處最大應力值為23.2 MPa，斷層兩側隨距離變化呈迅速遞減趨勢。在距離斷層約20 m范圍內，應力變化梯度較大；距離斷層20 m以外，斷層對應力變化影響變緩；至距離斷層30 m以外，應力值基本保持穩定。說明斷層對附近應力影響較為明顯的范圍為斷層兩側30 m。

圖2 初始應力下斷層附近應力變化曲線圖

根據圖3可知，巷道掘進后，按照斷層影響范圍30 m，從距離斷層30 m處開始每掘進5 m記錄一次應力變化。通過記錄曲線可知，不同距離所產生的應力變化呈距離斷層越近應力越大趨勢。掘進至斷層中心位置處應力值達到最大值30.2 MPa，相比于未掘進前的初始應力下增加7 MPa。由此分析受巷道掘進擾動影響，斷層附近應力進一步增大，并根據應力值變化規律可知，掘進工作面距離斷層越近，應力值增長速度越快。

圖 3 掘進時不同測點應力變化曲線

3 過斷層方案

3.1 掘進工作面過斷層方案

過斷層必須從安全、高效、施工難度等方面進行綜合考慮，以確定最佳過斷層方案。掘進工作面常規過斷層方法分別有斷層中部直接穿過法、后退臥底法、后退挑頂法[3-8]。結合F3斷層特征分析，采用斷層中部直接穿過法存在前期破頂、后期托頂煤掘進，將造成頂板難管理、工程難度較大且周期較長等問題。后退臥底法無法進入斷層下盤的煤層內，過F3斷層需掘進至斷層下盤上部的煤層內，且因斷層附近煤巖體破碎，不宜采用托頂煤過斷層。故需采用后退挑頂法過斷層，即后退至距離斷層一定位置處向煤層頂板方向掘進，并將后退段巷道通過鋪底墊實，掘進至揭露斷層后巷頂直接與斷層下盤的煤層頂板對接。后退挑頂過斷層法避免了托頂煤施工，且工程量小，安全系數高。

為確保后退挑頂法過斷層的成功實施，需根據斷層特征、挑頂坡度及相應計算得出后退距離。根據F3斷層特征可知，斷層落差5.2 m，根據巷道使用需要，確定巷道挑頂坡度為12°，通過公式（1）即可計算后退距離：

S=h·ctgθ（1）

式中：S為需后退距離，m；h為斷層落差，取5.2 m；θ為挑頂坡度，取12°。

通過式（1）計算得知，需后退24.5 m，即距離斷層24.5 m處以+12°坡度挑頂施工，即可實現過斷層后巷頂與斷層下盤的煤層頂板對接。后退挑頂法過斷層方案示意圖如圖4。

圖4 后退挑頂法過斷層方案示意圖（m）

3.2 過斷層補強支護方案

根據斷層影響范圍及后退挑頂過斷層方案，需在距離斷層至少30 m處開始采取補強支護方案。采取補強支護后，方可在距離斷層24.5 m處挑頂施工。為確保安全起見，決定在距離斷層40 m處開始實施錨網支護+錨索補強+注漿加固的補強支護方案，具體支護方案如下：

（1）錨網索補強支護

3300工作面運輸巷原支護形式為錨網支護，頂部錨桿為Ф20 mm高強螺紋鋼錨桿，幫部為Ф20 mm高強玻璃鋼錨桿，長度均為2 m，錨桿間排距為1 m×1 m。過斷層區域補強支護方案為：頂部錨桿變更為Ф22 mm高強螺紋鋼錨桿，幫部錨桿變更為Ф22 mm高強玻璃鋼錨桿，長度均變更為2.4 m，錨桿間排距均縮小至0.8 m；頂部增加兩根補強支護錨索，錨索采用Ф17.8 mm高強預應力鋼絞線，錨索長度6.3 m，錨索施工位置為巷中偏兩側0.9 m處各布置一根，錨索排距1.6 m。

（2）注漿加固

注漿范圍為斷層兩側40 m范圍（同補強支護范圍一致）。過斷層掘進期間，滯后迎頭10 m以上開始實施注漿加固。注漿加固與掘進平行作業，確保斷層附近破碎圍巖的及時膠結穩固。漿液水灰比1.5:1，注漿孔深2 m，巷頂中部布置一個，巷頂兩側距幫0.5 m處各布置一個，排距1.6 m。注漿效果以斷面內錨桿、錨索及頂、幫均勻滲出漿液后停止第一回次注漿，待漿液凝固48 h后實施第二回次注漿，直至注漿壓力達到4 MPa后停止注漿。

4 實踐效果分析

3300工作面回風巷過F3斷層采取后退挑頂法過斷層方案及補強支護方案后，進行現場觀測，過斷層期間未發生破碎圍巖冒落情況，過斷層后實現巷頂與斷層下盤的煤層頂板直接對接，避免托頂煤施工情況，實現了安全過斷層。此外，通過對過斷層補強支護段每隔20 m建立一組礦壓觀測站，采用十字測量法觀測頂板下沉量、底板底鼓量、兩幫位移量，并擇取變形量最大一組測站根據觀測天數繪制變形量變化曲線圖，如圖5。

圖5 圍巖變形量變化曲線圖

根據礦壓觀測數據分析，對過斷層段采取補強支護后，掘進后巷道前10 d內圍巖變形量增幅較大，分析為掘進擾動影響下應力重新分布，圍巖在支護體支撐空間內發生了短時的快速變形。10～40 d內各類變形量增幅均有明顯減緩，80 d后各變形量均趨于穩定，頂板最大下沉量穩定在93 mm，煤柱幫最大位移量穩定在97 mm，實體煤幫最大位移量穩定在73 mm，最大底鼓量穩定在81 mm，表明在補強支護下，圍巖變形量已得到有效控制，巷道最大變形量在巷道支護體允許變形范圍之內。

5 結論

（1）通過對白溝煤礦3300工作面回風巷揭露的F3斷層進行數值模擬，得出斷層影響范圍為斷層兩側30 m，掘進擾動下最大應力達到30.2 MPa，距離斷層越近的區域應力集中程度越高。

（2）采取的后退挑頂法過煤層完全斷開的正斷層具有工程量小、安全系數高的優點，避免了托頂煤過斷層，且層位安全對接準確，實現安全過斷層。

（3）采取的錨網支護+錨索補強+注漿加固支護方案能夠滿足過斷層段的支護要求，圍巖最大變形量僅97 mm，為巷道安全過斷層提供保障。