掘进巷道过断层补强支护围岩稳定性研究

孟尚斌

（晋能集团长治三元中能煤业有限公司 山西长治046000）

1 前言

煤炭资源开采的过程中众多的难题困扰着矿山的开采，其中巷道在掘进过程中会遇到断层甚至多断层一直是矿山开采中的一个大问题。此前众多学者对此进行了一定的研究，郑峰[1]通过FLAC3D数值模拟软件对过断层巷道的支护的稳定性和受力情况进行了一定的分析，通过分析结果对支护的参数进行了一定的优化，有效的提高了过断层巷道的稳定性。徐兵[2]通过理论分析了断层对巷道的破坏机理，通过数值模拟对巷道进行了支护补强，有效的降低了煤柱的变形和破坏，保证了巷道的稳定性和安全性。宋卫华[3]研究了巷道回采过程中的矿山压力和正断层的上盘正应力间的相互关系，给出了巷道过断层时的安全措施，提升了巷道的围岩稳定性，为巷道的支护提供了一定的指导。戎建伟[4]为了解决巷道穿越断层时地压显现较为强烈的问题，通过对围岩进行加固和巷道补强支护解决了此问题，提升了矿上的经济效益。本文通过以某矿为研究背景，对此矿山巷道过断层进行了的研究，利用理论分析的手段对巷道过断层破裂的机理进行了一定的研究，并给出了支护方案，为巷道过断层的稳定性提供一些个人见解。

2 断层及支护方案研究

断层是一种由于地壳运动及地层活动产生的断裂及沿着断裂方向产生移动的地层，断层的存在会改变地应力的分布，在巷道掘进过程中，断层的存在会对巷道的安全性造成较大的威胁，所以对断层的地应力分析是十分必要的。根据岩石强度理论和地质构造我们通常将自重作为一个主应力，断裂面垂向的力作为另一个主应力。所以如图1所示为正断层情况下的主应力示意图。

图1 正断层下主应力示意图

如图1（a）中σ1为最大主应力，σ3为最小主应力。在正断层形成阶段内，岩石的变形破坏依距库伦摩尔准则。

公式中：α 为断层方向与最小主应力方向的余弦；C0为岩石的单轴抗压强度，MPa。将最大最小主应力进行分解后，得到图1（b）。所以断层的垂直反向可以分解出应力分量和平行方向分解出的应力分量分别为：

当断层逐步趋于稳定后，此时σ平=σ垂tan φ，其中φ 是断面的摩擦角。将上述公式进行整合可得：

所以我们可以推到出稳定条件下的最大最小主应力的比值为:

从公式中可以得知，断层的稳定与断面的倾角和断面的摩擦角有着密切的关系，断面摩擦角不变时，K值随着断层的倾角发生变化，当断层倾角不断的加大，此时的K 值不断的增大，反之亦然。所以断层的稳定是K 值等于1 时的状态，当K 值小于1 时，此时的最大主应力为水平应力，当K 值大于1 时此时的最大主应力为垂直方向的应力也就是自重应力。

断层的存在对巷道的掘进有着至关重要的作用。巷道的变形破坏时，巷道冒顶和巷道的底鼓等事故一般都是由于水平应力的作用，所以在断层的形成过程中我们主要研究水平应力，最小主应力和中间主应力均为水平应力，当巷道的走向与断层为垂直时，此时的掘进方向与最小主应力平行，此时的巷道主要受到中间主应力和最大主应力的作用，此时的巷道垂直方向的压力较大，两侧的压力较小。变形呈现出对称状态，支护较为简单。当巷道的走向与断层呈现出相交时，此时的巷道受到三个方向的作用，当掘进至断层周边时，此时在两帮的左侧产生应力集中，随之掩体发生变形，右帮会随之产生应力集中。正断层时巷道的水平主应力小于垂直应力，所以在考虑巷道稳定性时应当首先考虑顶板和底板的稳定性。巷道的走向与断层夹角的示意图如图2所示。

图2 断层与巷道走向位置示意图

为了确定断层的情况，矿山对断层进行钻孔，钻孔位于回风大巷的迎头位置，断层距离顶板3.3 m，距离左帮1.1 m，并将钻孔的角度设置为1°，钻孔的长度选取为8.8 m，发现钻孔的在0 m～4 m 时为煤层，而在4 m～6.5 m 的位置为泥岩，剩余长度为细砂岩。分析了断层的情况后提出了在巷道掘进过程中的支护方案。

在原有的支护方案锚杆、注浆锚索、金属网及喷射砼的基础上进行二次支护，利用U 型钢支架及复喷砼进行加固。依据现场的实测情况对破碎围岩进行及时的注浆加固，用于提升锚索的支护性能，配合原支护下的树脂锚杆金和金属网，有效的提升围岩的稳定性。同时配合U型可伸缩支架对巷道的变形进行一定的控制。结合悬吊梁及现场实测资料对支护的参数进行确定。确定后的锚杆长度为2.4 m，锚杆的直径为20 mm，锚杆的间距为0.6 m 且为双排距布置。注浆锚索的间距设置为2 200 mm，排距为2 000 mm。支护方案示意图如图3所示。

图3 支护方案示意图

3 现场监测

对支护后的围岩表面进行监测，利用JSS30A监测仪对围岩的两帮移近量和顶板下沉量及底板起鼓进行监测。本次选取的监测位置在断层前方7m 处和断层的中心位置设置测站，分别在顶板、底板及两帮处各设置一个测点。监测数据应当控制在一定的范围之内以保证巷道的稳定性。2个断面监测结果图如图4所示。

图4 断面监测结果图

根据图4（a）和图（b）可以看出在掘进天数24天以前底板的位移量几乎不会发生较大的变化，但在掘进天数24天后的底板位移量出现了一定的变化，底板的最大的变形量为1.9 mm。而顶板在掘进34 天以前呈现出线性增长的趋势，最大的顶板下沉量为10.4 mm，但随着掘进天数的增加顶板的下沉量速度逐步减小，最大的下沉量为11.38 mm。相对于顶板和底板，两帮的变形量呈现出对称规律，在掘进天数30 天以前，两帮的变形量都呈现一定的线性增长，在30天之后两帮的变形趋势都呈现出下降的趋势，左帮的最大变形量为4.92 mm，右帮的最大变形量4.81 mm。综合来看监测断面1在30天以前的巷道变形量速率较快，但在30天后速度有一定的放缓。

根据图4（c）和图（d）可以看出断面2 的底板变形量呈现出上下波动，综合来说底板的变形量较为稳定，最大变形量为1.53 mm，而顶板的下沉量随着掘进天数的增加而不断增大，顶板的最大变形量为20.98 mm，两帮的变形量不同于断面1，右帮的最大变形量明显大于左帮，右帮最大变形量为12.03 mm，左帮的最大变形量为7.81 mm。可以看出支护后的巷道围岩较为稳定且支护性能较好。

4 结论

本文通过分析断层的受力情况，并结合实际工程地质情况，在锚杆、注浆锚索、金属网及喷射砼的基础上利用U 型钢支架及复喷砼进行进行二次支护，并对加强支护后的巷道围岩表面变形进行现场监测，发现支护后巷道顶底板及两帮的移近量较小，巷道围岩稳定性较好，有效的解决了过断层巷道变形较大的问题。