神角煤业断层影响下巷道变形机理及补强支护技术研究

郭奇才

(山西乡宁焦煤集团 神角煤业有限公司，山西 乡宁 042103)

1 工程概况

神角煤业2107工作面位于井田北部的一采区，沿倾向布置，工作面可采长度1 246 m，倾斜长度180 m。主采2号煤层，平均煤厚2.43 m，煤层倾角5～9°，煤层结构简单。2107运输巷沿2号煤层顶板掘进，顶板为粉砂岩，平均厚度4.14 m，底板为泥岩，平均厚度2.67 m。巷道原支护方案采用锚杆+锚索+塑钢网联合支护，顶板采用2.4 m长螺纹钢锚杆，间排距900 mm×1 200 mm，两帮采用2 m长玻璃钢锚杆，间排距1 300 mm×1 200 mm，支护断面如图1所示。

图1 运输巷原支护示意(mm)

根据现场观测，2107运输巷在1 430 m及1 449 m处揭露断层，落差分别为1.5 m和2.8 m，在断层影响下，煤层走高，使得巷道顶板出现一定厚度的顶煤并夹有泥岩，两帮和底板为煤体或泥岩，整体强度较弱。巷道在断层引起的构造应力和相邻2105工作面采动应力的双重影响下发生了严重的变形破坏，部分区域甚至出现了较大离层，原支护方案已无法保证巷道稳定性，严重制约了后续正常生产。因此，本文以2107运输巷为研究对象，对断层和采动双重作用段巷道补强支护进行研究。

2 巷道变形机理分析

2.1 断层带的影响

断层地质构造中分为上盘和下盘，二者受拉力或压力作用产生错位，往往蕴藏有较大的能量，会导致周围煤岩体产生较严重的塑性破坏。通过地应力测试，2107运输巷垂直断层走向穿过断层带，巷道与断层主应力关系如图2所示。

图2 2107运输巷与断层构造应力位置关系

2107运输巷掘进穿过断层带时，是由断层上盘进入下盘，最大垂直主应力σ1作用于顶板，同时两帮在水平集中应力影响下，断层首先对底板造成影响，巷道出现底鼓，因此需对底板进行针对性加固；当巷道穿过断层破碎带时，顶板承受较大垂直应力，由于顶板较破碎且底板强度较低，巷道全断面均产生较大变形，且此时顶板留有一定厚度顶煤，容易发生离层，需加强顶板支护；巷道穿过断层带后，顶板为强度较大的粉砂岩，底板和两帮则为强度较低的泥岩和煤体，此时垂直集中应力通过顶板传递至底板和两帮，使得底板和两帮吸收能量发生较大的塑性破坏。

通过FLAC3D模拟软件对断层附近垂直应力分布和塑性破坏区进行模拟分析(如图3所示)，断层附近围岩有明显的应力集中，同时，断层上盘煤岩体的塑性破坏程度和范围相对于下盘较大，将造成区段煤柱和煤柱侧底板产生较大的变形破坏。

2.2 工作面采动的影响

2107运输巷首先受到相邻2105工作面1次采动影响，随着本工作面推进受到2次采动影响，通过数值模拟分析了2105工作面回采后的支承压力分布情况，如图4所示，其侧向支承压力峰值为9.5 MPa，应力集中系数高达1.63，应力峰值位于距采空区边缘8 m处，且应力增高区影响范围为6～20 m。随着2105工作面的回采，受采动影响，煤柱承受的支承压力较大，加之断层带的垂直应力作用和塑性破坏，煤柱和煤柱侧底板的变形破坏进一步加重，因此，在2017工作面回采前必须对断层带影响区域巷道进行针对性补强支护。

图3 断层附近垂直应力及塑性区分布情况

图4 2105工作面回采后侧向支承压力分布曲线

3 补强支护技术方案

根据前面的分析，2107运输巷断层影响带的围岩破坏特征主要表现为：顶煤破碎易离层、煤柱帮较实体煤帮变形严重、煤柱帮侧底板底鼓量较大。需针对性地采用高强、高预紧力支护及非对称性支护的补强支护方案。

3.1 破碎围岩补强支护机理

破碎煤岩体的承载能力将随着应变的增大逐渐减小，达到应力峰值后仍具有一定的强度，表现为应变软化和残余强度两种特性。如不及时给予补强控制，随着变形的增大，破碎围岩将失去承载能力，紧靠煤岩间的摩擦力维持，极易造成巷道的冒顶和片帮。

巷道破碎带的煤岩体在掘进后一直处于低围压状态，其残余强度受围压影响明显，采用高强度、高预紧力锚杆(索)进行补强，可依靠其锚固的恒阻特性，适应围岩大变形的同时仍提供较大的支护阻力，迅速提高围压，从而使得破碎煤岩体的残余强度保持在稳定的范围内，从而控制巷道的变形破坏。另外，原支护方案为均匀对称的形式，而断层带附近的破碎围岩呈现出非对称变形的特征，需加强对煤柱帮的非对称补强支护。

3.2 断层带巷道补强方案

1) 断层带影响区域顶板为煤体时的补强支护方案。由于煤层受断层影响抬升，此时巷道顶板为一定厚度顶煤和泥岩，顶板在构造应力及采动应力双重作用下破碎程度更剧烈，需加强对顶板的支护。而原支护方案中，锚索的长度不足以锚固在破碎煤岩体以外的稳定岩层上，无法充分发挥支护作用，因此提出加长锚索的主动支护，并配合工字钢架棚的被动支护的补强方案。

顶板以及煤柱帮侧均采用锚索梁支护，顶锚索采用D17. 8 mm×7 300 mm的规格，间距2 000 mm，每排布置2根，通过2 600 mm的工字钢梁连接，锚索梁排距为2 400 mm；煤柱帮锚索采用D17. 8 mm×5 000 mm的规格，间距1 500 mm。每排布置2根，通过2 100 mm的工字钢梁连接，锚索梁排距为2 400 mm，补强支护断面如图5所示。

图5 顶板破碎段补强支护断面(mm)

考虑到工字钢架棚时施工不便，可适当调整锚索间排距，调整范围不超过150 mm。另外，2107工作面推进至该段区域时，应加快推进速度，尽量减少二次采用应力对围岩的影响时间。

2) 断层带影响区域顶板为粉砂岩时的补强支护方案。该阶段巷道围岩的变形主要表现为煤柱帮压缩变形和底鼓严重，需对煤柱帮和底板进行补强支护，如图6所示，在原支护煤柱帮侧每排锚杆之间补打3根锚杆，底角锚杆向下倾斜30°，均采用D20 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1 200 mm，锚杆均加长锚固，并将预紧力提高至150 N·m。

图6 顶板坚硬段补强支护方案(mm)

4 补强支护效果分析

为观测分析补强支护对2107运输巷断层附近围岩的控制效果，在每个补强段的顶、底板及两帮布置了观测点，采用“十字布点法”对围岩表面的位移进行观测。由于断层带影响段巷道的主要变形破坏出现在煤柱帮和底板，因此主要对比分析补强支护前后的煤柱帮和底板的变形移近量，对比曲线如图7所示。

由图7可知，采用补强支护方案后，2107运输巷断层附近煤柱帮的最大变形量由补强前的240 mm降低至40 mm，且变形趋于稳定的时长由补强支护前的20 d左右减少至10 d左右；运输巷底板的最大变形量也由补强支护前的500 mm降低至80 mm，变形趋于稳定的时长由25 d左右减少至13 d左右。现场观测结果表明，提出的补强支护方案有效控制了断层、采动双重影响段巷道的变形破坏，满足了本工作面的正常安全回采。

图7 补强支护前后巷道围岩位移对比曲线

5 结 语

1) 通过地质力学及数值模拟分析了断层构造应力及采动应力影响下2107运输巷围岩的变形破坏机理，相邻2105工作面回采形成的侧向支承压力峰值高达9.5 MPa，应力峰值系数达到了1.63，应力增高区影响范围大，而断层带附近煤岩体较为破碎，在支承压力作用下，使得区段煤柱和煤柱侧底板的变形破坏较为严重。

2) 针对巷道变形破坏机理提出了非对称补强支护，现场观测表明，采用补强支护方案后，断层带附近巷道煤柱帮和底板的最大变形量分别由补强前的240 mm和500 mm降低至40 mm和80 mm，且围岩稳定时间明显缩短，表明补强支护方案有效改善了巷道的稳定性，满足了工作面安全回采需求。