煤巷掘进安全过断层构造带技术研究与应用

张 泽

(山西煤炭运销集团 长治有限公司，山西 长治 046000)

煤巷掘进安全过断层构造带技术研究与应用

张 泽

(山西煤炭运销集团 长治有限公司，山西 长治 046000)

某矿S1206工作面胶带巷掘进期间靠近F77断层构造时发生了严重的冒顶事故，为了保障巷道后续掘进安全穿过F77断层构造带，采用KDZ1114-6A30矿井地质探测仪对断层产状进行现场勘探，并在掘巷期间通过钻孔窥视仪对断层构造区附近巷道顶板进行观测，在穿过断层构造期间布置测点进行矿压监测。在此基础上提出了采用锚网索和钢筋梯子梁联合加强支护的方法控制巷道顶板煤岩的稳定性，确保了工作面的快速安全通过。该研究结果为掘巷期间安全快速通过断层构造区提供了一种新的预先监测和防治思路。

断层构造；钻孔窥视；矿压观测；加强支护

随着矿井开采深度逐年增加，一些特殊的地质构造如断层、陷落柱等越来越多地被揭露出来。这些异常地质构造的存在，一定程度上破坏了煤岩体的完整性，并在一定范围内改变了地应力的量值和方向，从而对掘进巷道，尤其是掘进面附近的围岩稳定造成影响[1-3].

地质物探技术对煤巷的掘进作业能够提供一定的安全保障，可在一定程度上提前探明断层构造的形态，但由于物探结果的多解性等因素，由断层引起的构造应力场分布、断层构造对煤岩稳定性的影响等还没有系统地展开研究。断层构造形态及其分布引起的局部地应力变化和对煤岩体稳定性的控制，以及对巷道安全快速掘进的影响的研究有待加强[4-5].

基于此，针对某矿巷道区域地质构造特点显著，开展了快速掘进技术的研究与应用，可为后续的施工安全、施工方案及巷道支护等问题提供理论依据和现场指导，具有重要的理论和实际意义。

1 地质概况

某矿S1206工作面布置在3#煤层中，煤层平均厚度6.4 m，基本顶为粉砂岩，厚11.25 m，深灰色，夹薄层砂质泥岩。直接顶为砂质泥岩，厚度约1.3 m，深灰色，底部夹薄层泥岩。伪底为砂质泥岩，厚度为0～0.5 m，深灰色，块状，含少量云母碎片。直接底为细粒砂岩，厚度为0～0.2 m，深灰色，含少量白云母。基本底为粉砂岩，厚度为0～11.57 m，深灰色，含星散状白云母，局部夹薄层细粒砂岩。

S1206工作面巷道掘进过程中，勘探到有断层的存在，为了准确地探明断层的具体方位参数，选用现场适用性强、探测准确度高的KDZ1114-6A30矿井地质探测仪，并配合钻探对S1206工作面F77断层进行了分析。结果表明，断层揭露位置为1 222.6 m处，为逆断层，走向1°，倾向91°，断距为7.5 m.巷道前方30 m处(断层下盘)煤层坡度约为-23°，煤层逐渐变薄。断层上盘煤层厚度6 m，煤层倾角+6°～10°.综合分析，初步预报F77断层见图1，与掘进揭露断层情况相近。

2 冒顶事故

S1206工作面胶带巷掘进期间，在揭露F77断层构造前，巷道就出现了不同程度的顶板变形破坏，见图2a). 当巷道掘进靠近F77断层构造时，受F77断层构造的影响，胶带巷局部范围发生冒顶事故，致使顶锚索断裂失效以及顶板大面积冒落，见图2b)、c).

图1 S1206胶带巷过F77断层地质剖面图

图2 过F77断层冒顶事故图

3 断层构造带附近顶板特征

S1206工作面胶带巷掘进通过断层时，冒顶事故发生后，在断层构造附近采用钻孔窥视方法对顶板进行监测，部分典型的裂隙发育情况见图3. 统计发现，顶板下位岩层0～2.5 m裂隙相互贯通，整体破碎、脱落；2.5～5 m有多处层理、劈裂并有大范围离层现象，破裂范围和规模甚至超过巷道中部顶板变形最大的区域。可见，断层构造区域巷道顶板较为破碎，需要采取加强支护等方法来控制围岩的稳定性，防止发生冒顶等巷道矿压显现事故。

图3 巷道顶板不同层位钻孔窥视结果图

4 加强支护与矿压监测

4.1 表面位移监测

断层破碎带岩性复杂，巷道压力显现规律多变。对巷道过断层破碎带的监控量测能够及时掌握断层破碎带围岩的变形与支护结构受力信息，评价各种支护所取得的效果及判断施工方案的合理性。针对断层构造带附近的巷道，选择长度20 m的范围对试验段巷道进行围岩表面位移跟踪监测，用以对设计方案进行调整优化，判断施工方案的合理性，指导后续施工。

表面位移变化情况是巷道稳定的直接表现，巷道开挖完成后，围岩不可避免地会产生形变，这些形变是多方位和动态的。多方位是指自重应力和构造应力引起的沉降和侧向挤压造成的拱帮收敛和底鼓变形，动态指的是变形随时间呈非线性变化。自在断层前方10 m位置处第1个断面A1测点安装并开始监测以来，先后分别在过断层位置处安装了第2个断面A2测点，并在过断层后方10 m位置处安装了第3个断面A3测点，3个监测断面围岩表面收敛位移与时间关系曲线图见图4.

图4 围岩表面收敛位移与时间关系曲线图

由现场实测数据可知，巷道开挖后曲线快速上升，持续时间10 d左右。这是由于巷道开挖引起表面岩体法向荷载卸除，应力场调整导致切向荷载大大增高，岩体承受的偏应力超过岩体剪切强度，使得围岩由表及里快速破裂扩展，岩体碎胀扩容导致围岩侧向位移迅速增加。这一阶段内，监测断面距掘进工作面较近，曲线存在明显震荡，显示表面岩体变形的不稳定性。随着掘进工作面继续推进，锚杆和锚索发挥支护作用，变形受开挖影响越来越小，当掘进工作面距监测断面超过40 m后，位移不再受开挖的影响，变形速率明显降低。开挖40 d后表面位移产生突变，变形速率增大明显，达到15 mm/d. 据此判断，断层构造对巷道变形和稳定性有很大影响，因而在该段应适当增加支护强度。

4.2 加强支护方案

S1206工作面回采至545 m时，将在回风巷揭露F77断层，该断层贯穿工作面，对生产造成严重影响，为确保安全顺利施工，特制定S1206工作面过F77断层方案。根据现场施工条件，采取了对应的支护措施。在揭露F77断层前后10 m采用锚杆锚索加强支护，在揭露F77断层前后5 m采用架工字钢棚支护，保证了工作面的快速安全通过。具体的过断层支护方案见图5.

图5 断层附近巷道支护方案图

过断层附近煤层巷道采用锚网索和钢筋梯子梁联合支护的方式，具体支护参数如下：1) 顶锚杆的间排距为860 mm×800 mm，顶锚索的间排距1 000 mm×1 600 mm，一排布置3根顶锚索。帮锚杆的间排距900 mm×800 mm. 2) 顶锚索形式和规格为：锚索材料为d18.9 mm高强度低松弛预应力钢绞线，长度8 300 mm，采用3支K2350低黏度快速树脂锚固药卷锚固，锚固长度为1 500 mm. 要求锚索初次张拉达300 kN，预应力损失后达到250 kN. 3) 顶板和帮部锚杆形式和规格：锚杆杆体为d22 mm左旋无纵筋螺纹钢钢筋，钢号为HRB500型，长度2 400 m，杆尾螺纹为M24. 锚固方式为树脂药卷加长锚固，采用2支Z2350低黏度慢速树脂锚固药卷锚固，锚固长度为1 000 mm，锚杆扭矩为300 N·m，锚固力200 kN.

5 结 论

1) 采用钻孔窥视的方法对断层构造带附近顶板进行监测，监测结果表明，顶板下位岩层0～2.5 m裂隙相互贯通，整体破碎、脱落，2.5～5 m有多处层理、劈裂并有大范围离层现象，破裂范围和规模甚至超过巷道中部顶板变形最大的区域。

2) 断层破碎带岩性复杂，巷道压力显现规律多变。多组矿压观测数据表明，通过断层构造带时，断层构造对巷道顶板的变形破坏和稳定性有很大影响。

3) 针对原有支护方式无法保障巷道安全通过断层构造，提出了采用锚网索和钢筋梯子梁联合支护的方式进行顶板加固修复，确保了工作面的快速安全通过。

[1] 贺 虎，窦林名，巩思园，等．巷道防冲机理及支护控制研究[J]．采矿与安全工程学报，2010，27(1)：40-44．

[2] 杨增强，窦林名，张润兵，等．特厚煤层巷道掘巷支护防冲研究[J]．煤炭工程，2013(4)：80-83．

[3] 张广超，何富连．大断面强采动综放煤巷顶板非对称破坏机制与控制对策[J]．岩石力学与工程学报，2016，35(4)：806-817．

[4] 何富连，杨增强，魏 臻．采动影响下碎裂煤巷注浆加固优化研究与应用[J]．煤矿开采，2017，22(1)：50-54．

[5] 陈学华．构造应力型冲击地压发生条件研究[D]．阜新：辽宁工程技术大学，2004．

Research and Application on Safety Crossing Tectonic Zone in Coal Roadway Excavation

ZHANG Ze

In order to ensure the safety of roadway excavation crossing through the F77 fault zone in S1206 working face in a coal mine where a roof fall accident happened, the KDZ1114-6A30 mine geological prospecting instrument is used, the site survey of the fault occurrence is carried out, and the roof of the roadway near the fault structure area is observed by means of a borehole prospecting instrument during the excavation, and the monitoring points are arranged to monitor the roof pressure. The paper further puts forward that the combination of anchor net cable and reinforced ladder shaped beam can strengthen the stability of roof and coal rock, and ensure the safe and rapid excavation. The results of this practice provide a new pre-monitoring and control idea under the condition of crossing tectonic Zone.

Fault structure; Drilling peep; Mine pressure observation; Strengthening support

2017-04-24

张 泽(1988—)，男，山西长治人，2011年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事煤矿生产技术管理工作(E-mail)690974496@qq.com

TD353

B

1672-0652(2017)06-0043-04