断层破碎带煤巷围岩变形控制技术研究应用

褚福桥 郝喜庆 桑远虎

（山东能源集团有限公司，山东 济南 250014）

受造煤运动影响，煤系地层普遍赋存断层等地质构造。断层的存在严重影响巷道掘进过程的安全，揭露断层时易发生冒顶、瓦斯突出及透水等安全事故。断层附近应力环境复杂且围岩结构破碎，巷道掘进支护难度大，且后期维护困难，频繁返修影响工作面正常生产。因此有必要研究断层破碎区巷道破坏特征及变形控制技术，目前诸多学者对此开展研究工作[1-4]。

为解决高庄煤矿3上05 材料巷揭露断层过程中巷道断面收敛显著问题，基于巷道围岩破坏特点及现场条件，提出过断层强力锚注支护技术，最后进行现场监测验证现场应用效果和技术可靠性。

1 工程背景

1.1 工作面条件

高庄煤矿3上05 材料巷担负113上05 工作面的运输、通风、行人等任务，位于西十一采区中东部，东部为村庄保护煤柱，西部为西十一采区四条下山，南部为3上1103 工作面采空区，北部为3上1107 工作面采空区。巷道的地面标高为+32.9～+33.6 m，井下标高为-457.1～ -495.0 m，巷道长度为1303.1 m（平距），设计为矩形断面，巷道净断面尺寸为宽×高=4.6×3.6 m。

巷道沿3上煤层顶板掘进，3上煤层平均厚度为4.0 m，倾角为8°～16°。直接顶岩性为砂质泥岩，厚度1.6 m，基本顶岩性为细砂岩，厚度为4.3 m。3下煤层平均厚度为3.5 m，同3上煤层之间为31 m 的粉、细粒砂岩、砂质泥岩互层。3下煤层底板为厚度12.8 m 粉砂岩。在3上05 材料巷掘进过程中预计揭露F3断层，3上05 材料巷过断层方案如图1 所示。

图1 3上05 材料巷过断层方案（mm）

1.2 原掘进支护参数

原掘进支护采用锚网带索主动支护形式，具体参数为：顶部选用Φ22 mm×2400 mm 高强螺纹钢让压锚杆，帮部选用Φ20 mm×2400 mm 左旋无纵筋全螺纹高强让压锚杆，托盘选用长×宽×厚=150×150×10 mm 的高强托盘，锚杆排距为800 mm，间距如图2 所示。

图2 3上05 材料巷原掘进支护断面图（mm）

顶部锚索型号Ф21.8 mm×5300 mm，锚索托盘选用长×宽×厚=300 mm×300 mm×16 mm 的高强锰板托盘，锚索间排距1700 mm×1600 mm。

锚索与锚杆不布置在同一排，锚杆、锚索锚固方式为加长锚固。

1.3 围岩变形破坏情况

3上05 材料巷顶板岩性为砂质泥岩，受断层构造赋存特点影响，断层区围岩结构完整性较差，抗扰动能力弱，普通锚杆索支护难以有效控制巷道围岩破坏及持续变形，导致后期巷道需频繁返修。结合变形数据和窥视结果，将围岩变形破坏特点总结如下：

（1）断层区域巷道收敛速度较快.巷道掘成一周内，其断面收敛速度可达21～29 mm/d，最大收敛速度98 mm/d。变形平稳后观测得到的顶底板收敛量为1.2～1.4 m，巷帮收敛量为0.9～1.2 m。

（2）稳定周期较长。巷道掘成后变形持续时间较长，需要28～50 d 变形量方能趋于平稳。

（3）围岩结构较为破碎且破坏范围较大。从图3 中能够看出，窥视钻孔内离层及剪切裂隙较为发育，孔壁粗糙破碎，整体结构性较差。

图3 围岩变形破坏情况

1.4 断层破碎区围岩破坏机理

（1）构造应力为主导的复杂力学环境

断层附近区域应力环境复杂，影响支护-围岩系统的关键是构造应力。构造应力一般以水平应力为主，是原岩应力水平的2 ～3 倍，这导致巷道围岩易发生剪切型破坏。水平应力过大引起的岩层错动也导致锚杆易发生剪断破坏。构造应力分布不均，甚至出现“断层活化”现象，较大的时空分布差异增大了巷道围岩支护工作的难度。

（2）构造运动引起的破碎围岩条件

在构造运动过程中，岩层的错动挤压导致断层附近区域岩体较为破碎，普通锚杆支护的范围较小、强度较弱且抗扰动能力差，难以对断层区围岩起到理想的变形控制效果。现场发现普遍存在锚杆整体脱出、预紧力失效及锚杆剪断等现象，根本原因是普通锚杆支护不适用于断层区围岩条件。

2 强力锚注支护技术

2.1 断层区围岩变形控制思路

为适应断层区复杂应力环境，应加强支护强度及范围，提升支护-围岩系统刚度；为强化破碎围岩支护效果，应首先改善围岩结构完整及力学性能，进而提高围岩-支护体系统的承载能力。

基于上述分析，提出采用注浆锚索强力锚注技术对3上05 材料巷断层破碎区围岩进行支护。注浆锚索强力锚注技术的关键技术要点是强力支护和注浆改性，适用于高水平复杂应力环境及破碎围岩条件。一方面注浆锚索的支护范围及强度更大，通过与普通锚杆配合使用，可形成内外多层次围岩承载系统，将浅部锚杆支护系统同深部锚索支护系统联系成整体承载结构；另一方面注浆锚索可在预应力支护的同时进行围岩注浆加固，改善围岩结构完整性，增强围岩自身承载性能。

2.2 强力锚注支护参数设计

基于原掘进支护方案提出了过断层的高强锚注支护方案。原方案的锚杆支护参数不变，顶板锚索改选用Φ22 mm×5300 mm 的注浆锚索，间排距设计为1700 mm×1600 mm，两帮各增加2 根Φ21.8 mm×6000 mm 普通锚索，间排距设计为1200 mm×1600 mm，锚索托盘选用长×宽×厚=300 mm×300 mm×16 mm 的高强锰板托盘，见图4。

图4 强力锚注支护断面图（mm）

过断层期间围岩破碎，地质条件较为复杂，提出的高强锚注支护方案可能需根据现场条件进行优化。在现场应用过程中，应结合巷道围岩条件及时优化支护参数，必要时采取补打单体等措施加强支护，保证巷道顶板安全。

3 现场应用效果

采取现场监测以验证过断层期间强力锚索支护方案的围岩控制效果，布置了测点监测巷道断面收敛情况，并对注浆锚索支护下顶板围岩进行了窥视。监测结果如图5 所示。

（1）从图5（a）可以看出，采取强力锚注支护后，测点滞后掘进工作面80 m 左右巷道变形趋于平缓。最终顶板下沉量为83 mm，巷帮收敛量为103 mm，底鼓量为19 mm。

（2）根据图5（b）顶板围岩窥视结果，可得出强力锚注支护有效控制了顶板围岩变形，同时掘进扰动产生及断层破碎原生的裂隙均被浆液充填，浆液扩散效果良好。

图5 巷道表面位移变化曲线图

（3）同原过断层掘进支护方案相比，强力锚注支护方案下巷道断面收敛量降低了90%以上，表明该支护方案对现场具有良好的适用性。

4 结 论

（1）为解决3上05 材料巷过断层期间变形显著问题，分析了原支护失效及围岩变形破坏原因，提出了强力锚注技术对巷道围岩进行加强支护。

（2）变形监测结果表明，强力锚注技术有效控制了过断层巷道围岩稳定，巷道断面收敛量较小，窥视结果显示浆液扩散良好，围岩整体结构得到有效改善。