长平公司二盘区胶轮车大巷过断层围岩控制技术研究

王三红

（晋煤集团长平公司，山西 晋城 048400）

1 工程概况

晋煤集团长平公司目前主采3#煤，3#煤层厚5.62m，中间有0.23m的夹矸，垂直节理发育，条带状结构，夹矸为泥岩煤层倾角4～7°，平均5°，属近水平煤层。目前由该矿矿建五队进行二盘区胶轮车大巷的掘进作业，巷道净宽5.4m，净高3.8m，采用高强度锚杆、W钢护板、锚索、金属网、联合支护。巷道掘进到45m处时，巷道揭露断层扩SF32正断层延伸段，该断层走向54°，倾向144°，倾角85°，断距12m。该断层对掘进作业影响程度极大。

2 围岩破坏特征分析

2.1 断层围岩的数值模拟

根据长平公司二盘区胶轮车大巷上覆岩层的物理力学参数，同时借鉴类似情况掘进工作面过断层的经验[1-2]，通过Flac3D软件建立二盘区胶轮车大巷连续掘进模型研究断层对二盘区胶轮车大巷掘进过程中围岩变形破坏特性的影响，二盘区胶轮车大巷设计断面形状为半圆拱形，巷道设计净宽5.4m，净高3.8m。建立的模型高为50m，宽为50m，长为70m，且在模型底部边界及四周施加位移约束，模型上覆施加的载荷为。

2.2 推进方案

数值模拟中二盘区胶轮车大巷掘进工作面分3步开挖60m。第一步掘进工作面开挖15m，距SF32断层约15m；第二步掘进工作面开挖30m，此时掘进工作面到达断层处；第三步掘进工作面开挖60m，此时掘进工作面推过断层约18m。

2.3 数值模拟结果分析

模型的初始应力平衡后，分3个阶段对模型开挖，模拟巷道通过断层前，通过断层时及通过断层后的围岩塑性区分布特征和应力变化特征。

图1 掘进工作面开挖15m时围岩应力及塑性区云图

掘进工作面开挖15m时围岩应力及塑性区云图如图1所示，此时巷道距SF32断层还有15m。观察图1（a）和（b）可以发现巷道顶底板出现了应力集中系数为1.25的水平应力集中区；在巷道两帮出现了应力集中系数为1.63的垂直应力集中区。在此应力影响下，巷道产生的塑性破坏区域如图1（c）所示，如图所示顶板的塑性区范围约1m，巷道两帮的塑性区范围的最大值约2m，底板的塑性区范围约1.5m。在这一阶段，巷道的围岩活动不受到断层破碎带的影响，即巷道处于SF32断层的影响范围外。

图2 为掘进工作面开挖30m遭遇SF32断层时围岩应力及塑性区云图。观察图2（a）和（b）可以发现受断层影响，巷道顶板的水平应力集中区范围明显扩大且应力集中系数升高到1.46，但是巷道两帮的垂直应力集中区消失，即巷道不存在垂直应力。观察图2（c）发现巷道在揭露SF32断层时，巷道两帮的塑性区范围增加至6m左右，巷道底板破坏严重，底板的塑性区范围增大至4m。因此在巷道掘进通过SF32断层时需要进行补强支护，以保证巷道的正常安全掘进。

掘进工作面开挖60m时围岩应力及塑性区云图如图3所示，此时巷道掘进面推过SF32断层约18m。观察图3（a）和（b）可以发现巷道掘进工作面在推过断层后，巷道顶底板出现了水平应力集中现象，并且距离断层越远，巷道所受垂直应力越大，在断层中间的位置上所受垂直应力较小。掘进工作面推过断层后，巷道塑性区范围与开挖15m时基本相同，巷道围岩活动只受掘进影响。

综上，巷道掘进工作面在接露SF32断层时破碎带附近时，巷道两帮的塑性区范围增加至6m左右，约为未遭遇断层时的3倍；巷道底板破坏严重且底板的塑性区范围增大至4m，约为未遭遇断层时的2.6倍。因此在巷道掘进通过SF32断层时需要进行补强支护来控制围岩变形，以保证巷道的正常安全掘进。

图3 掘进工作面开挖60m时围岩应力及塑性区云图

3 过断层围岩控制技术及效果

二盘区胶轮车大巷掘进过断层时，受SF32断层破碎带的影响，需要进行巷道补强支护。初步设计为超前注浆加固巷道围岩，再套拱形棚补强顶板支护，并补充原基础支护的围岩控制措施。

3.1 超前注浆加固[3]

在二盘区胶轮车大巷巷道掘进超前注浆的施工中，注浆浆液选取该矿应用过的材料及配比，考虑锚杆排距及注浆加固后架设U型棚的排拒，设计注浆孔的排拒为1600m，深度为5500mm，并且在布置注浆孔时应使两个注浆孔内注浆时，浆液的渗透距离有一定的重叠。具体注浆孔的布置如图4所示。考虑到巷道日掘进量为4m，断层断距12m，因此设计超前注浆加固的范围为5m，注浆加固的总长度为15m。超前注浆在巷道安全通过断层后即停止施工。

图4 巷道超前注浆注浆孔布置示意图

根据二盘区胶轮车大巷超前注浆过SF32断层现场施工情况，综合考虑实际影响因素，选用长5000mm，外径为40mm，内径为36mm的注浆管，每根注浆管端头安装一个球形阀用于连接注浆管路并控制浆液进出注浆管，注浆管端头1500mm后布置6个孔径为10mm的钻孔。现场应用锚杆钻机进行注浆孔的钻孔施工，注浆孔的孔口用棉纱及树脂锚固剂进行封孔。巷道超前注浆的工艺流程为：①注浆材料的准备：将注浆泵、润滑油、高压软管、U形卡、球阀、三通、注浆材料等运送至注浆施工地点，并检查注浆泵能否正常工作。②连接高压软管与注浆泵：将吸液管与注浆泵连接后，分别放入相应的浆液中，将高压软管与注浆泵连接，并将管路铺送至注浆孔附近。③检查球阀：检查注浆管端头球阀和三通处的球阀是否完好。④准备注浆：将三通与注浆管连接，开启球阀后启动注浆泵进行注浆作业。⑤清洗管路：每个注浆孔注浆完成后，为防止浆液在管路内凝固堵死，将吸液管放入清水中，开启注浆泵，清洗管路内的浆液，高压软管另一端冲出清水后关闭注浆泵。⑥注浆过程中要观察浆泵的压力及注浆孔周围的漏浆情况，及时进行封堵，现场施工中发现问题及时调整，记录注浆过程中每个注浆孔的材料消耗量。

3.2 套拱形棚补强

待巷道超前注浆加固稳定后，进行巷道过断层的掘进作业，并套拱形棚补强顶板支护来保证巷道掘进顺利的通过SF32断层，需要套拱形棚补强顶板支护的长度为15m。具体工艺流程为：架设临时支护后进行敲帮问顶，确认安全后4人同时挖柱窝，并平整柱窝，随后将拱形棚的棚腿竖起并用双股的10号铁丝进行固定；将拱形棚抬入工作面，将拱形棚的腿和拱形棚的梁扣合固定，用拉杆联锁棚腿及棚梁从而稳固顶梁。为了保证拱形棚的稳定性，须用双股10号铁丝将顶网与棚梁相连。背板、板梁间距为1.5m（背顶时，距巷道中心线550mm处开始进行背顶，即巷道中心线两侧各两处；背帮时，从底板向上500mm处开始进行背帮，每帮背3处，间距1.5m），误差不超过200mm。现场施工过程中，若采用顶四帮三无法将棚背紧、背实，则在适当的位置增加相应数量的板梁及背板将棚背实。

3.3 围岩控制效果

二盘区胶轮车大巷掘进过SF32断层时采用超前注浆加固巷道围岩，再套拱形棚补强顶板支护，并补充原基础支护的围岩控制措施后，顺利通过该断层，并且在过断层后对断层中部巷道的围岩变形规律进行实测，结果如图5所示。

观察图5可以发现：在巷道通过SF32断层20天内，断层中部巷道围岩表面位移量增势较猛，过断层20天后逐渐放缓并趋于稳定。巷道趋于稳定后，最终两帮移近量约150mm，顶底板移近量约190mm，巷道的变形量控制在允许范围内，表明围岩控制效果良好。在巷道刚通过断层时巷道两帮移近速度约为12mm/d，顶底板移近速率为15mm/d，随时间的推移，巷道围岩的变形速率逐渐减小，在两个月左右时稳定在0.1mm/d，巷道处于稳定状态。

4 结论

1）通过Flac3D软件建立二盘区胶轮车大巷连续掘进模型研究断层该大巷掘进过程中围岩变形破坏特性的影响发现巷道掘进工作面在接露SF32断层时破碎带附近时，巷道底板破坏范围约为未遭遇断层时的2.6倍；巷道两帮的塑性区范围约为未遭遇断层时的3倍且顶板破坏范围较大。

2）在采取超前注浆加固巷道围岩，再套拱形棚补强顶板支护，并补充原基础支护的围岩控制措施后，掘进工作面顺利通过SF32断层，并且巷道在通过断层并趋于稳定后，最终的巷道变形量控制在允许范围内，保证了掘进工作面顺利通过断层及后期工作面安全高效的回采。