巷道过断层段围岩稳定性分析及支护技术研究

霍卫星

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412）

0 引言

由于我国煤矿地质条件复杂，巷道受到各种地质构造的影响，在巷道掘进过断层区域由于围岩条件较差，巷道的支护上存在着难支护、成本高、危险性大等问题，这便严重的影响着巷道的掘进速度，针对断层构造对巷道的影响，国内外学者展开了大量研究，如尹立明、郭惟嘉等学者[1]通过运用ANSYS数值模拟软件结合相似模拟试验的研究方法，分析了回采动压影响下断层区域上覆岩层的变形破坏特点及矿压分布规律，根据研究结果表明：回采动压影响下，断层会活化，断层区域内的上覆岩体表现为顶板冒落高度达、周期断裂步距小及顶板稳定性差的特点；如王玉珏，王元明等人[2]通过运用现场实践观测的方法对巷道围岩应力分布状态与断层破碎带产状之间的关系进行定量分析，为巷道过断层区域的的支护形式提供了合理可靠的参考。本文主要通过分析断层对巷道围岩稳定性的影响，并结合2-208工作面运输巷变形的具体情况，对巷道过断层区域的支护方案进行具体设计，并进行矿压观测验证支护效果。

1 工程概况

某矿2-208工作面位于二采区，主采2#煤层，煤层均厚4.1m，煤层上方直接顶为泥岩，均厚为3.0m，基本顶为细砂岩，均厚为7.2m，直接底为泥岩，均厚为4.5m，老底为中砂岩，均厚为6.5m，2-208工作面运输巷沿2#煤层掘进，据相邻巷道揭露及三维地震资料显示：工作面范围内F1162断层横穿工作面，其在工作面内延伸的长度约为320m，断层的落差为7m，倾角为60°，运输顺槽在掘进过程中会揭露该断层。巷道原本设计在掘进过断层时采用的支护形式为U型棚支护，棚距为650mm，棚腿与底板间的夹角为85°，具体支护参数如图1所示，在巷道当掘进至该断层位置时，巷道在采用原有的巷道断层的支护方案时出现U型钢扭曲失稳，空顶区域顶板冒落及棚腿弯曲现象，为保证巷道围岩的稳定，需在巷道过断层段采取进一步的补强加固措施。

2 断层对围岩稳定性的影响

当巷道开挖后，巷道塑性区的半径会随着巷道的掘进而逐渐增大，当断层面与塑性区相交时，断层对巷道围岩的影响便会很大，具体塑性区与断层几何关系曲线如图2所示，图中R为塑性区半径，m为断层最大影响塑性区的范围，φ为断层面与水平方向的夹角。

图1 2-208工作面运输巷过陷落柱段原有支护断面图

图2 塑性区与断层几何关系图

根据图1中断层与塑性区之间的几何关系能够得出：

根据式（1）并结合巷道开挖后塑性区的表达式能够得出断层最大影响塑性区的范围m的表达式为：

根据顶板岩层裂隙的发展过程能够得出：当巷道掘进至断层的影响范围时，巷道顶板的破坏过程可划分为两个阶段，在第一阶段，巷道顶板在原始应力、垂直应力和断层面侧向应力的综合作用下出现剪切扩容，致使顶板岩层出现松动；在第二阶段，当顶板裂隙延伸到断层破碎带时，容易致使断层在剪切力的作用下出现上下两盘的滑移现象，此时在覆岩重量及断层上盘挤压剪切力的作用下使得断层的下盘出现扩容，从而导致断层下盘处于极不稳定的状态，便会出现松塌性冒落现象[3]；随着工作面掘进至断层区域时，在掘进工作面超前压力的作用下，前方的煤岩体会进入塑性区域，当塑性区域的范围与断层破碎带贯通时，便会导致掘进头煤壁及两帮出现围岩坍塌现象[4]。

3 过断层段支护方案设计

根据2-208工作面运输巷在掘进过断层时巷道的变形破坏特征，并结合巷道变形破坏的机理，分析确定巷道在过断层段采用现有支护+喷浆+注浆的支护方式来对已掘进过断层段的巷道进行修复，对未通过的断层采用超前加固巷道围岩+U型钢棚的方式进行支护。

对于巷道过断层区域，在现有支护形式下围岩变形量大的区域提出采用喷浆+注浆的修复方案，具体的施工工艺为：先打设钻孔，预埋导水管与注浆管、在巷道表面喷射一层厚为150mm的喷浆层，然后进行注浆作业；对于未通过的断层区域，采用超前注浆加固的方式掘进通过断层。

本次注浆材料主要使用水泥-水玻璃浆液，水泥的水灰比为0.6，注浆钻孔直径为50mm，设计修复巷道处的注浆深度为5.0m，巷道断面内布置6个注浆孔，顶板及两帮各布置2个，注浆孔之间的间距为1.5m，巷帮孔距离底板的高度为1.3m，具体注浆钻孔的布置位置如图3所示。

图3 注浆钻孔布置图

具体巷道掘进过断层区域的施工工艺流程如下：

1）巷道支护。在巷道过断层区域，架设U型钢棚进行支护，棚距为650mm，棚腿与底板间的夹角为85°，拱梁和腿搭接长度为500mm，搭接处各用两个卡缆卡住，卡缆间距为400mm，铺设φ5.7mm的金属焊接网，网孔规格为100×100mm，（顶网4500×900mm、帮网3000×900mm）。同时每架棚拱顶按照850mm的间距均匀布置11根刹杆，棚之间用5根拉杆（采用Φ18mm×700mm的圆钢焊制）联锁。

2）喷浆封闭。在U型棚架设完毕后，对巷道断面进行喷浆作业，封闭围岩，同时防止巷道围岩的风化并能够防止后续注浆作业时出现漏浆现象。喷浆所用材料主要为水泥、黄沙、石子，水灰比为0.45，水泥∶黄砂∶石子的重量比=1∶2∶2，喷砼强度为C20，喷砼厚度为150mm，在进行喷射混凝土作业时先清理墙角浮矸，喷射墙基部位，再喷射两帮，最后喷射拱顶部位。

3）注浆加固。在进行注浆加固作业时，注浆具体按照如下步骤施工：①在需加固位置用钻机按设计打设注浆钻孔，钻头φ50mm，孔深5m；②安装注花浆管。将注浆花管放入钻好的注浆孔，注浆花管外端与封孔器通过螺纹连接；③封孔。封孔采用ZF-A22封孔器，通过螺纹将封孔器与注浆花管连接；④通过螺纹将注液枪与封孔器连接，开泵封孔、注浆；⑤停泵，卸压，拆除注液枪及注浆管线，移至下一个注浆孔，单孔注浆结束。依次进行下一钻孔注浆。

4）特殊地段的锚杆补强支护。在架棚、喷浆、注浆通过断层区域后，根据巷道现场变形的具体情况，针对巷道变形量较大的区域采用锚杆进行补强支护，锚杆的间排距为800×800mm，锚杆选用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为Φ22×2400mm。

4 矿压观测

为对巷道过断层段采用U型棚+喷浆+注浆的支护方案的效果进行验证，对修复后的巷道表面的位移量每2天进行一次观测，持续观测2个月，将所得数据绘制成曲线如图4所示。

通过分析图5能够得出，巷道围岩位移量的曲线表现为前期变形快，后期逐渐趋于稳定的总体趋势，在巷道的修复初期两帮移近速度为12mm/d，变形速率约为15mm/d，后期巷道的变形速度逐渐减小，最终稳定在约0.1mm/d；在观测期间内，巷道顶底板的最大移近量为196mm，两帮的最大移近量为157mm，能够看出巷道在采用U型棚+喷浆+注浆的支护方案后巷道围岩变形得到了有效控制，保证了巷道围岩的稳定。

图4 巷道表面位移曲线

5 结论

通过分析巷道过断层区域对围岩稳定性影响，并具体分析2-208工作面运输巷过断层段巷道围岩的变形特征，提出采用U型棚+喷浆+注浆的支护措施来控制巷道过断层段围岩的稳定，根据矿压观测结果可知，支护方案实施后巷道过断层区域顶底板的最大移近量为196mm，两帮的最大移近量为157mm，有效的保证了巷道围岩的稳定。