2-208顺槽断层区域围岩变形特征及控制技术

（霍州煤电集团霍汾设计咨询有限责任公司，山西 霍州 031410）

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电集团辛置煤矿2-208综采工作面位于310水平二采区，工作面北侧紧邻二采区轨道巷、皮带巷，南侧为二采区右翼皮带巷，西侧为二采区回风巷，东侧为2-202工作面采空区。工作面走向长度175m，倾斜长度579.5m，所采2#煤层位于二叠系下统山西组，均厚4.1m，平均倾角为4°，煤层稳定可采，结构复杂，含两层夹矸。具体煤层顶底板岩层特征见表1。

2-208工作面运输顺槽沿2#煤层底板掘进，掘进断面为矩形，掘进宽度×高度=5.0 m×4.0m，工作面内存在F1162断层，根据相邻的2-202工作面回采期间构造揭露情况分析，预计工作面范围内NE-SW走向断层延伸距离较长，预计在工作面内延伸约320m，对回采影响较大，其中运输顺槽与断层破碎带的最小间距为15m，现为保障巷道围岩的稳定进行近断层区域围岩控制技术研究。

表1 2#煤层顶底板岩层特征

2 巷道近断层围岩变形特征

2-208工作面运输顺槽在近断层F1162断层区域，巷道围岩由于受到断层各项要素的影响，致使构造应力增大，使得巷道在普通的锚网索支护方式下会呈现出围岩变形量大的特征[1-2]，现为充分掌握运输顺槽在近断层区域时变形特征，采用FLAC3D数值模拟软件，建立长×宽×高=200 m×100 m×120m的模型，根据F1162断层特征，取断层倾角为45°，发育垂高为60m，发育厚度为7m，设置运输顺槽与断层间的间距为15 m。

根据数值模拟结果，得出运输顺槽在近断层区域掘进巷道时，巷道围岩应力、位移及塑性区发育特征见图1。

图1 巷道近断层破碎带围岩变形特征

分析图1（a）可知，巷道在掘进至靠近断层破碎带区域时，巷道围岩表现为不均匀变形的特征，其中在两帮变形中，远离断层的一帮最大移近量为70 cm，靠近断层的一帮最大移近量为90 cm；在顶底板变形中，巷道顶板的变形量较小，但底板呈现出较为明显的底鼓现象，且巷道底板相对靠近断层一侧的底鼓量相对较大。

分析图1（b）可知，巷道在近断层破碎带区域时，巷道靠近断层一帮5m范围内的围岩应力较低，这是由于受到断层破碎带的影响，巷道围岩的变形破碎相对较为严重，其承载能力较低，即表现为围岩应力数值较低，在巷道相对远离断层的一帮，其帮部围岩应力在2.5m范围内应力较低，基于此可知巷道在近断层区域围岩应力呈现为非均匀对称分布。

分析图1（c）可知，巷道近断层区域围岩的塑性区发育特征同样表现为非均匀对称分布，其中巷道靠近断层的一帮塑性区发育至与断层破碎带塑性区贯通，远离断层的一帮塑性区发育范围相对较小，发育深度为4m，顶板塑性区发育深度为6m，底板塑性区的发育深度同样与断层破碎带相贯通，且近断层底板塑性区发育深度较大。

综合上述分析结果可知，运输顺槽在近断层区域时，围岩主要表现为非对称变形，其中靠近断层一帮和底板的变形量及塑性区发育范围相对较大。

3 围岩控制技术

3.1 支护原则及措施

根据上述模拟结果，确定运输顺槽在近断层区域，针对巷道浅部围岩，应采用高预紧力、高强锚杆支护，以充分提高浅部围岩体的强度，增强其自身的承载能力，通过锚杆支护整体提升浅部破碎围岩体承载能力，将破碎围岩体有效的组合在一起[3-4]。

由于锚杆支护并不能够充分将浅部破碎围岩体锚固在稳定岩层内，故需在巷道近断层一帮施加锚索，以将巷道浅部破碎的围岩锚固在深部具有一定承载能力的岩层内，以充分控制巷道近断层一帮的变形。另一方面由于近断层区域巷道底板变形量较大，为提升底板围岩的承载能力，需在巷道底板近断层一侧施加锚杆支护以控制巷道底板鼓起。

3.2 支护方案

根据第二章的断层区域围岩变形特征，结合上述巷道近断层区域的支护原则及措施，具体设计巷道在F1162断层发育320m范围的支护方案，具体如下：

（1）顶板支护：锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为Φ22 mm×2400 mm，间排距为800 mm×800 mm，锚固方式为树脂加长锚固，预紧扭矩为300 N·m，两顶角锚杆与顶板成20°安设，其余锚杆均垂直于巷道顶板安设；锚索采用1×7股低松弛钢绞线，规格为Φ17.8 mm×8500 mm，锚固方式为树脂加长锚固，锚索采用“二一二”布置，间排距为2400 mm×800 mm，锚索预紧力为200 kN，断面内布置两根锚索时，锚索与顶板成20°安设，当断面内布置一根锚索时，锚索与顶板垂直安设。顶板锚杆索采用钢筋梯子梁进行联结，采用10#铁丝编织的金属网进行护表。

（2）两帮支护：锚杆采用螺纹钢等强锚杆，规格为Φ22 mm×2400 mm，间排距为800 mm×800 mm，锚固方式采用树脂加长锚固，设置预紧扭矩为250 N·m，其中两帮角锚杆与巷帮成15°布置，其余锚杆均与巷帮垂直布置，底角锚杆距底板400 mm安设，采用偏心蝶形托盘，锚杆杆体端部锚固在底板岩层内220 mm，起到控制底角煤体变形的目的；另外，在距底板500 mm的位置处，与巷帮成5°～10°倾角安设规格为Φ22 mm×2400 mm的螺纹钢等强锚杆，保障杆体端部锚固在煤体内，该锚杆起到的主要作用为允许帮部底角处出现一定程度的变形，起到让压的目的，以改善锚杆体的受力。近断层侧帮部锚索采用1×7股低松弛钢绞线，规格为Φ17.8 mm×6300 mm，间排距为1600 mm×1600 mm，预紧力设置为250 kN，锚固方式同样采用树脂加长锚固，帮部锚杆索间同样采用钢筋梯子梁进行连接，采用10#铁丝金属网进行护表。

（3）底板支护：底板在近断层侧布置两根锚杆，锚杆型号和规格同顶板，靠近底角一侧的锚杆与底角间隔400 mm、与底板成20°安设，另一根锚杆与底角间隔1200 mm、与底板垂直布置，锚固方式采用树脂加长锚固，预紧扭矩为300 N·m。

具体运输顺槽近断层区域巷道支护形式见图2。

图2 运输顺槽断层区域支护断面

3.3 效果分析

为分析验证运输顺槽近断层区域的围岩控制效果，在巷道掘出后持续进行85d的监测，根据监测数据得出巷道掘进期间表面位移曲线见图3。

图3 巷道表面位移曲线

分析图3可知，巷道掘进期间近断层区域围岩变形主要发生在巷道掘进处后的0～40d内，当巷道掘出后超过40d后，围岩变形速率逐渐降低，围岩逐渐趋于稳定，围岩变形中煤柱帮变形就底板鼓起量相对较大。围岩变形稳定后，顶板最大下沉量和底板鼓起量的最大值分别为76 mm和84 mm，实体煤帮和煤柱帮的最大移近量分别为65 mm和90 mm，围岩控制效果良好。

4 结语

根据2-208工作面内F1162断层的发育特征，通过数值模拟具体分析2-208运输顺槽在近断层区域围岩变形规律，确定巷道围岩变形呈现为非均匀对称变形，巷道底板及近断层一帮的变形量相对较大，基于数值模拟结果确定支护原则及措施，并具体进行支护方案设计，根据支护后表面位移观测结果可知，支护效果良好，保障了围岩的稳定。