承压水作用下巷道过断层围岩控制技术研究

王谟

【摘 要】 为了确保底板承压水影响巷道过断层安全，文章采用数值模拟技术手段对过断层期间底板水对巷道围岩应力、塑性区分布及围岩控制影响进行分析，并根据分析结果提出以分阶段围岩控制策略，实现了安全巷道过断层。主要结论为：1）在断层破碎带两侧各10m范围内围岩控制困难，断层上盘围岩破碎程度明显高于下盘;2）含水层与巷道底板间距越小围岩变形越为明显，前期以底鼓变形为主后巷帮及顶板变形逐渐增加;3）采用超前注浆、分次支护可以有效解决底板含水巷道过断层时围岩控制难题，6403运输大巷围岩最大变形量为127mm，应用效果显著。研究成果为其他矿井类似巷道掘进过断层安全技术措施制定提供一定借鉴参考。

【关键词】 水文地质;巷道掘进;导水裂隙;锚注;注浆

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）04-0012-04 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

由于断层破碎带内岩体破碎、阻水性差，若巷道顶底板有含水层时巷道掘进过断层会存在较大的安全风险。众多的研究学者从定性调查分析、断层构造应力场分布、断层破碎带围岩稳定性等方面对断层围岩控制方面进行研究。

1工程概况

山西某矿6403运输大巷主要服务于2水平开采，巷道埋深平均为+560m，巷道掘进至680m时遇到F62断层（H=87m、287°∠54°）及伴生F62-1断层（H=14m、302°∠69°）。6403运输大巷底板有多个灰岩含水层，在掘进过F62断层时巷道底板与含水层间距缩短至2.5m，给6403运输大巷掘进安全带来隐患。

2巷道过断层模拟分析

采用FLAC3D对巷道过断层期间的围岩破坏进行分析，构建的模拟模型长、宽、高分别为200m、50m、140m，岩层倾角为10°。模拟的F62断层、F62-1断层破碎带宽度分别为3m、2m。

2.1巷道掘进过断层围岩应力演化分析

断层造成垂向应力不连续，破碎带内应力一般小于断层两盘。在断层下盘随着与断层破碎带距离缩短，垂向应力降低明显;在断层上盘随着与断层破碎带距离增加岩层垂向应力逐渐恢复至正常值，断层破碎带影响范围约为断层上下帮两侧各10m范围。在断层下盘水平应力随着巷道底板与含水层间距缩小呈现逐渐增加趋势，应力影响程度随着与断层间距缩小而逐渐增加（见图1）。

6403运输大巷掘进之后，在未采取支护措施情况下在断层带附近有一定范围的应力降低区，具体见图2，断层破碎带附近卸压显现明显，其中F62断层卸压区范围约为F62-1断层卸压区范围2倍，两个断层的卸压区相互连通，在巷道轴向方向影响距离约为50m。

巷道掘进过断层时浅部岩层处于应力降低区、底板深部岩层应力出现一定程度集中，其中6403运输大巷在F62上盘以及F62-1上盘距离底板3m位置处出现有应力集中，集中系数约为1.43;巷道围岩在F62下盘出现一定应力降低，在F62-1上盘应力在顶板出现一定集中。

2.2巷道掘进过断层围岩塑性分析

巷道掘进开挖后围岩首先在接近断层部位出现拉伸-剪切混合破坏，从而引起该部分岩层在临空方向出现一定挠曲应变，由于此部分岩层与断层相距较近，岩层挠曲变形降低了对断层滑移面约束，加剧断层在滑移面位置处剪切破坏程度，断层影响附近岩体稳定性及承载能力显著降低，断层面附近构造应力得以释放，围岩破碎区向巷道底角以及断层侧帮快速扩展。具体巷道掘进过断层期间围岩塑性区分布情况见图2。

从图中看出，巷道在断层上盘掘进时顶板塑性区分布范围较广，巷道掘进至断层破碎带范围内时顶板塑性区范围有所降低，巷帮塑性区范围急剧扩张，掘进至断层下盘时顶板及巷帮塑性区范围有所降低，底板塑性区分布范围大幅增加，巷帮塑性破坏类型以剪切破坏为主，顶底板塑性变形以拉剪破坏为主。

2.3水对围岩强度影响

由于6403运输大巷底板有灰岩含水层，在承压含水层作用下接近层压水区域内岩层较为破碎、裂隙发育。巷道底板深部岩层破坏裂隙以拉剪破坏为主，底板更容易出现底鼓。断层上盤塑性区范围大于断层下盘。具体含水层与巷道底板间距对巷道围岩变形影响见图3。

从图3看出，巷道底板与含水层间距在17.5m以上时底板承压水沿着裂隙渗透至巷道掘进层位水压较小（水压显著小于巷道围岩塑性区承载强度），底板水引起巷道底板变形量较小，最大为35mm;当底板承压水与巷道底板间距在17.5m以内时，承压水沿着底板裂隙向巷道掘进层位内扩散，在渗流达到平衡后巷道掘进层位的孔隙水压力仍相对较大，此时随着巷道与承压水层位间距缩小底鼓量呈现逐渐增加趋势，含水层与底板间距在2.5m时巷道底鼓最大可达280mm。巷帮底板水对巷道顶板影响较小，具体巷道底板水对巷道围岩变形影响程度从高到底依次为巷道底板、巷帮及顶板。

3现场应用分析

3.1围岩控制策略

3.1.1区域注浆加固

通过区域注浆渗透或者挤压至巷道围岩裂隙内并固结，将裂隙内的气体及自由水排出，并在破碎岩层中形成网络骨架，可以在一定程度上提升巷道围岩物理力学性能降低渗透性，提升围岩稳定性及强度，从而达到加固围岩并封堵导水裂隙目的。

3.1.2分阶段支护

巷道掘进断面扩大200mm为巷道变形预留空间;一次支护后允许围岩变形，从而释放围岩应力，降低围岩控制难度;采用二次支护及时控制巷道围岩流变。

在断层构造带内掘进时巷道受到较大的构造应力影响，围岩本身承载较大的变形能，在巷道开挖初期时锚网提供有效的支柱阻力，锚杆提供的支护强度远小于开挖后围岩向开挖空间的位移合力，因增加巷道掘进断面并在一次支护后运行巷道围岩有一定变形。巷道围岩具有的应变能经过前期大量释放后通过加固巷道围岩浅部岩层并充分发挥深部岩层承载能力，以便避免巷道围岩在水压作用下出现长时间流变，确保巷道稳定。

3.2巷道围岩支护参数

3.2.1超前注浆

6403运输大巷掘进过F62断层及其伴随生F62-1断层时采取以下围岩支护方案：

巷道底板与底板灰岩含水层间距在17.5m以内时开始对巷道围岩进行预注浆加固，具体为巷道与F62断层面相距80m时开始，整个注浆过程共分三个循环，布置70个钻进钻孔，注入水泥量共计420t。注浆完成后，施工检查孔，终孔位于巷道底板下方16m位置，检查孔施工期间出水量均在1m3/h以内，表明注浆可以对巷道底板导水裂隙进行有效封堵。

3.2.2一次支护

从巷道掘进过断层应力分布以及围岩塑性区分布变化规律得知，在断层面10m范围内应力分布异常、围岩变形严重，因此在该段内将巷道掘进断面外扩200mm并分次支护。一次支护断面见图4，锚杆为φ22mm×2400mm左旋螺纹钢，间排距700mm;锚索为φ17.8mm×6200mm钢绞线，间排距1200mm×1400mm。两帮、顶板均用金属网、双筋梯子梁补强。

3.2.3二次支护

二次支护主要针对底板反拱、滞后注浆并对重点位置锚网索进行补支護。巷道底板反拱深度为500mm，并通过锚网索梁进行支护，底板帮角采用螺纹钢锚杆规格为φ22mm×2400mm，支护锚索规格为φ17.8mm×6200mm、注浆锚索规格为φ22mm×6200mm，两者间布置形式为三花眼，间排距均为1500mm×1400mm。具体巷道底板拱底支护设计见图5。

反拱后锚杆、锚索与梯子梁连接，下侧铺设钢筋网。当围岩变形量在80mm以上时进行注浆，顶板/巷帮注浆压力为1MPa、底板注浆压力为2MPa，注浆浆液均为超细水泥浆。在围岩变形严重区域施工锚索进行补强。

3.3围岩控制效果

巷道掘进、支护完成后即对围岩变形进行监测，观测持续300d，结果见图6。巷道开挖初期变形速度较快，以结构变形为主，支护完成20d时间内围岩变形量速度维持在3～5mm/d，顶底板及巷帮位移量分别约为57mm、78mm;支护完成20～80d后围岩变形能得以明显释放围岩变形速度降低至2～3mm/d，顶底板、巷帮最大位移量为97mm、92mm;支护完成80d～200d时间范围内围岩变形以流变为主，变形速度降低至1mm/d以内;支护完成240d后围岩变形趋于稳定，变速速度在0.02mm/d以内。

现场监测表明，在底板含水巷道掘进过断层采用超前注浆、分段锚注支护技术后，可以有效控制巷帮底鼓、巷帮收敛及顶板下沉，确保围岩稳定，巷道支护效果显著。

4总结

6403运输大巷掘进过F62断层时水文地质条件、应力环境复杂，巷道掘进受诸多因素影响，采用FLAC3D对巷道掘进过断层期间的围岩应力、塑性区变化特征及底板水对巷道围岩影响进行分析，为后续采取的围岩支护措施提供了指导。

在6403运输大巷掘进过F62断层时提出分阶段支护策略，即为：超前支将、一次支护、二次支护相结合，采用超前注浆封堵底板裂隙，降低底板水对巷道支护影响;一次支护释放围岩应变能;二次支护控制围岩流变变形。

6403巷采用提出巷道过断层围岩支护措施后，围岩变形得以显著控制，顶底板、巷帮最大变形量为112mm、127mm，满足巷道使用需要。

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