回采巷道掘进过断层围岩控制技术探讨

张丽峰

（霍州煤电集团汾源煤业有限公司，山西 静乐 034000）

1 工程概况

汾源煤业5-1021 巷沿5#煤层顶板掘进，其埋藏深度378～410 m，设计长度632 m。该矿井为低瓦斯矿井，5#煤层倾角23°～27°，平均25°，平均煤厚15.45 m，煤层节理发育。

5-1021 巷掘进要经过两条断层，分别为H1=2.5 m、H2=15 m，本文以H2断层为实例进行详细分析。根据地质勘察结果，5-1021 巷的倾角为20°，断面为矩形，掘高3.1 m，掘宽4.4 m，截面面积13.64 m2。工作面掘进范围内构造情况简单，左帮为煤，右帮基本为泥岩，顶板多为泥岩和泥质灰岩，底板多为泥岩和粉砂岩，顶板完整性较好。因断层会对巷道围岩的稳定性造成较大影响，所以需制定合理的围岩控制方案，以确保工作面能够安全的通过断层。

2 围岩特征分析

2.1 钻孔探测

为了解断层围岩的构造特征，在巷道掘进工作面通过打钻孔进行探测。钻孔深6 m，位于巷道右帮，距离底板1 m，钻孔方向与水平夹角为10°，探测结果见图1。

图1 钻孔剖面

根据地质勘察资料及钻孔探测结果可知：5-1021 巷所揭露的断层是正断层，断层位置在工作面前方4 m 左右，断层落差约为15 m，倾角约为63°，断层与5-1021 巷的相对位置见图2。

图2 断层与5-1021 巷位置

2.2 围岩力学参数

在掘进工作面取部分岩样进行物理力学实验，先进行单轴压缩试验测定其抗压强度，而后进行三轴压缩试验测定其粘聚力和内摩擦角等参数。

（1）单轴抗压强度

抗压强度测定结果见表1。

表1 单轴抗压强度

根据测定结果可知，天然状态下，断层处岩石的单轴抗压强度约为6.36～7.21 MPa，吸水饱和后抗压强度有所降低，约为2.48～3.15 MPa。总体来说断层处围岩抗压强度较低，需加强支护。

（2）粘聚力与内摩擦角

通过三轴压缩实验，绘制出岩样的C-ψ曲线见图3。

图3 C-ψ 曲线

根据实验结果可知，断层处岩石的内摩擦角约为27°，粘聚力约为0.69 MPa。粘聚力和内摩擦角值都较小，可知断层处围岩的较为破碎，稳定性差。

2.3 矿物成分分析

采用衍射仪器对岩样进行检测，分析其矿物成分，并将检测结果对比矿物成分分类表，得断层矿物成分分析结果见表2。

表2 矿物成分

根据实验结果，可知断层处所取岩样为泥岩。由矿物成分分析结果可知，硬度较大的石英含量仅为39%，强度较低的高岭石含量约为23%，遇水易膨胀的伊利石、蒙脱石含量约为30%。总体来说断层处岩石强度较低、易软化，需要加强支护。

3 围岩控制

3.1 围岩失稳分析

巷道距离断层面越近，顶底板的变形量越大，围岩越容易失稳[1]。此外，围岩的失稳还有以下原因：

（1）构造应力。由于断层是经过一系列的构造运动才形成的，因此断层的构造越复杂，其作用的构造应力就越大，相比于较为稳定的重力，构造应力更大，且构造应力多不稳定。因此，构造应力在极大程度上影响着巷道围岩的稳定性。

（2）岩体岩性。根据地质资料，5-1021 巷揭露的断层处岩石多为泥岩，其破碎程度较大、完整性差，且遇水易膨胀，因此在断层附近极易发生冒顶，严重影响着巷道围岩的稳定性。

（3）支护不足。在较大的构造应力和松散破碎的岩体中，单一的支护形式很难达到理想的加固效果。如注浆浆液未能使松散围岩充分粘结、锚杆末端未能嵌入到稳定岩层，这些情况都容易造成巷道围岩的失稳。

3.2 巷道施工方案

当巷道掘进方向与断层面夹角为90°时，巷道所受的压力及产生的变形最小[2]。因此，在工作面掘进至断层处时，可改变掘进方向，使巷道走向垂直通过断层面。具体做法是：在掘进至断层处时，后退30 m，然后平行于断层面掘进45 m，最后改变行进方向，垂直于断层面施工，通过断层，掘进30 m 后最终回到原始的掘进方向，施工设计见图4。

图4 施工设计

3.3 围岩控制技术

由于在断层处围岩体较破碎，因此需要提前进行注浆加固，使破碎的围岩粘结成为完整的岩体，而后采用“锚杆（索）+金属网+ U 型钢支架+ 喷砼”的方式进行支护。

采用的主要工艺技术及参数表述如下：

（1）注浆加固

为使浆液与破碎围岩快速粘结，采用“水泥浆液+ 固化剂”的注浆材料对围岩进行加固。每个断面分别在顶板中心、肩部两侧、巷帮两侧共布置五个注浆孔，其中帮部注浆管距离底板2 m，肩部注浆管距离底板3 m、与底板夹角为50°，顶部锚杆与顶板垂直，其余注浆参数见表3。

表3 注浆参数

（2）锚杆

由于矩形断面在巷道肩部易形成应力集中，且在断层处构造应力较大，为增大围岩的自承能力、提高围岩的稳定性，将矩形断面改为直墙半圆形，直墙高为原掘高的一半即1.5 m，半圆拱的半径为掘宽的一半即2.2 m，净宽4.4 m。

锚杆长度依据组合拱理论[3]计算：

式中：l1为锚杆外露长度；l2为有效长度；l3为锚固长度。

根据实际工程条件及工程经验，取l1=0.05 m，l2=2.05 m，l3=0.5 m。则锚杆长度为l=0.05+2.05+0.5=2.6 m。

锚杆间排距取0.8 m，直径取20 mm，每个断面布置13 根。

（3）锚索

锚索的长度根据以下公式确定：

式中：La为锚固长度；Lb为不稳定围岩厚度；Lc为托盘厚度；Ld为外露长度。

根据实际工程条件及工程经验，取La=3 m，Lb=4 m，Lc=Ld=0.2 m。则锚索长度为L=7.4 m。

锚索间距取2.4 m，排距取1.6 m，每个断面布置两根。

（4）U 型钢支架

U 型钢支架选用“直腿+ 半圆拱”型，断面内为2 个节点、3 段支架。

（5）金属网

金属网使用的钢筋是直径为6.5 mm 的圆钢，网格尺寸为100 mm×100 mm。

（6）喷砼

采用强度C25 的混凝土，喷层厚度为150 mm。

5-1021 巷最终选择的围岩控制方案见图5。

图5 围岩控制方案

4 效果分析

在巷道穿越断层处及距离断层10 m 处各安置1 个测站，通过安装数显收敛计来监测围岩变形情况，每个断面安置4 个观测点。结果显示，断层位置处围岩表面变形最大[4]，监测结果见图6。

图6 围岩表面变形量

根据监测结果，断层处巷道两帮围岩变形量均未超过10 mm，顶底板变形量均未超过20 mm，围岩总体变形量较小，说明支护效果良好，稳定性满足要求。

5 结语

针对断层对围岩稳定的影响，重点分析了断层处围岩特征； 提出汾源煤业5-1021 巷过断层围岩控制方案，以及工作面过断层方案；对围岩表面变形情况进行跟踪监测，监测结果表明，断层位置处围岩表面变形量不大；巷道围岩的稳定性得到了有效保障。