東周窯煤礦應力擾動巷道變形破壞因素及支護技術研究

閆應勛

（晉能控股煤業集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037103）

地質斷層會嚴重影響煤礦開采活動[1-2]。準確分析斷層構造對礦區布置和巷道支護設計具有重要意義。大多數用于礦山地面控制應用的理論是基于均勻和連續的介質，沒有考慮到地層中的不連續面，如節理、裂隙和斷層。然而，由于開采活動，巖層中存在的節理、裂隙和斷層的活化不可避免地破壞了頂板巖層的穩定性[3-5]。

關于斷層構造對巷道圍巖影響的研究較少，大多沒有深入分析斷層構造的影響[6-7]。本次研究旨在彌補上述不足。以東周窯煤礦5104巷道穿越斷層帶為例，研究了穿越斷層構造帶的巷道變形破壞機理，分析了斷層結構對掘進工作面推進應力的影響、巷道開挖后圍巖應力狀態以及斷層對圍巖應力的影響范圍，比較了斷層構造帶巷道和正常構造帶巷道的應力，提出巷道支護技術和方案。

1 工程概況

東周窯煤礦5104巷道開口處位于山4#層南輔運大巷里程4425 m處，工作面位于二疊系下統山西組4#層一盤區。4#煤層含夾矸1～5層，最大為0.85 m，最小為0.15 m，平均厚度0.43 m，巖性多為黑色泥巖、灰色砂質泥巖。煤層總厚6.52～7.56 m，平均7.04 m，純厚4.10～7.06 m，平均5.58 m，煤層結構復雜，煤層傾角0.5°～5.5°，平均1.6°。

在5104巷掘進至13 m處將揭露煤層落下正斷層5104，構造情況見表1，煤層頂底板情況見表2。

表1 構造情況表

表2 煤層頂底板情況表

2 影響巷道變形的因素

巷道深度、圍巖性質和強度等因素對圍巖的變形破壞均有影響。5104巷道埋深900 m，巷道周圍巖石的垂直應力約為22.5 MPa。巷道圍巖的強度普遍較弱，巷道頂底板多見泥巖，一旦泥巖石吸水，其強度顯著降低，巷道開挖后將持續緩慢變形。

斷層構造也影響巷道圍巖的應力狀態。首先，斷層結構會導致圍巖某些區域的水平應力高度集中。其次，在斷層形成中，斷層周圍的淺層巖石破碎嚴重，在巷道的許多區域可以發現帶有巖屑的凹陷網孔。對于軟弱圍巖的巷道，斷層結構會導致巷道淺層巖石的破壞，并引起巷道周圍巖石應力狀態的變化。

在錨桿錨固區外、錨索錨固區內的裂隙中，水平裂隙一般發育為離層裂隙，而水平裂隙和縱向裂隙均可成為裂隙帶并向深部擴展。在這個過程中，產生了許多新的裂縫，其中大多數是水平裂縫。表層裂縫數量、裂縫發育程度和新生裂縫數量均高于中部，深部裂縫數量最少。

3 巷道控制技術

頂部錨桿500#/Φ22 mm×2400 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，排間距為1000 mm×920 mm，W鋼帶W235-280×4900-4.0，排距為1000 mm。幫部錨桿500#/Φ22 mm×2400 mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，排間距為1000 mm×900 mm。錨桿托板150 mm×150 mm×10 mm，鋼護板采用W235-280×450-4 mm。頂 板 錨 索SKP21.8-19/1860，L=7300 mm布置方式為“三二三”布置，排間距為2000 mm×1380 mm。錨索托盤300 mm×300 mm×14 mm。頂部為Φ6 mm焊接的鋼筋網，網格為100 mm×100 mm，搭接不小于200 mm。幫部菱形網采用8#鉛絲網，網格50 mm×50 mm，菱形網搭接不小于100 mm。5104巷底板鋪底厚度為200 mm，鋪底砼強度C25，每立方米混凝土材料用量：水泥:水:粗砂:碎石= 372:175:593:1260；重量配合比：水泥:水:粗砂:碎石=1:0.47:1.59:3.39，水灰比值為0.47。按照設計預留300 mm寬卸壓槽，并用碎石子進行填充。巷道支護方案如圖1。

圖1 巷道支護方案（mm）

4 巷道支護效果

巷道圍巖控制的實質是控制巷道的變形量，保證礦山正常安全生產有足夠的空間。因此，選擇巷道圍巖變形量作為評價控制效果的主要指標。5104巷開挖后15～18 d，頂底板累計收斂量約為30 mm，頂板沉降量累計為20～25 mm，兩幫變形量累計為95～105 mm。從圖2可以看出，5104巷道在開挖后4～6 d出現了頂板離層。在頂板內7.5 m處，離層量為39 mm，在頂板內2.4 m處，離層量為20 mm。如圖3。

圖2 巷道位移量

圖3 巷道離層量

5 結論

本文研究了斷層構造帶內巷道圍巖的特征，分析了影響巷道變形破壞的因素。將圍巖強度較低且受斷層結構影響較大的巷道定義為應力擾動敏感巷道，提出了有效的錨桿預緊設計支護方案，確定了斷層構造區內巷道的支護系統參數。巷道圍巖控制的實質是控制巷道的變形量，保證礦山正常安全生產有足夠的開挖剖面。