极近距离煤层巷道掘进过断层顶板控制技术

时间：2024-07-28

吕经国

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西忻州 036500）

1 工程背景

山西河曲晋神磁窑沟煤矿位于山西忻州河曲县，磁窑沟矿11102回风巷道直接顶为厚度5.50m左右的泥岩夹煤线，泥岩裂隙发育，易冒落。直接顶上部为10-2#煤层保护煤柱，10-2#煤层上部的砂岩随工作面采空后垮落；直接底为厚度0.45m左右泥岩；基本底为厚度5.50～22.07m的砂质泥岩。11102回风巷道掘进工作面的11煤层厚度为3.0～7.5m，平均厚度为4.5m，夹矸0-1层，平均厚度0.2m，最大厚度0.4m。

11102回风巷道宽度5.2m，高度3.7m，断面面积19.24m2。11102回风巷道已经掘进至720m，720m处巷道迎头出现700mm正断层。受断层影响巷道副帮割矸700mm，同时巷道顶部矸石破碎，副帮顶部出现离层，离层范围：长2m×宽2m×深1m，且巷道两帮均有片帮、破碎现象。11102回风巷道位置如图1所示。

图1 11102回风巷道位置关系图

2 断层处巷道失稳原因分析

（1）断层构造应力对巷道的影响

由于断层区域内地应力作用分布复杂，巷道开挖后构造应力重新分布。11102回风巷掘进工作面所遇断层为正断层，当巷道掘进至断层附近时，掘进巷道围岩应力受断层构造应力作用产生显著改变，断层发生活化，断层接触面岩石破碎产生滑移，断层构造应力再次作用于掘进巷道周围岩层。

（2）地应力对巷道的影响

断层带区域内巷道变形、破坏和失稳受地应力影响明显。深部地应力中水平地应力比垂直地应力更大，水平应力对巷道造成主要影响是巷道顶底板变形破坏，而垂直应力主要造成巷道两帮变形破坏。11102回风掘进巷道上方7m处为采空区，掘进巷道上方岩层重量作用于巷道，使得巷道垂直应力大于水平应力，从现场实际情况来看巷道两侧围岩出现片帮破坏。

（3）巷道临界范围失稳理论计算

由于断层带中的巷道岩石松散破碎，塑性区范围更大，常规理论方法无法计算塑性区半径，满足不了支护要求。利用引入了Hoek-Brown常数（m1）和岩体地质强度指标（GSI）2个常数的Hoek-Brown准则，可以准确地计算出断层带中巷道围岩破碎临界范围。失稳临界理论模型如图2所示。

修正后的Hoek-Brown准则如式（1）：

式中：

取m=m1e(GSI-100)∕28，s=e(GSI-100)/9；

σθ-岩体破坏时的最大主应力；

σr-岩体破坏时的最小主应力；

c-岩石单轴抗压强度。

图2 失稳临界理论模型

巷道临界失稳塑性区破碎区域关系为：

式中：

a-巷道半径；

r-巷道中心到弹塑性交界面的距离；

R0-临界失稳范围；

P0-围岩应力。

联立式（1）（2）（3）得，围岩临界失稳范围公式：

根据磁窑沟矿实际地质资料可取围岩参数为：GSI取60，c取12.6MPa，P0取6.67MPa，a取2.6m，代入式（4）中计算得到断层带破碎巷道围岩临界失稳范围为2.119m。

3 补强支护方案

根据上述理论分析以及磁窑沟矿11102回风巷道实际地质状况，过断层时提出如下补强支护方案。巷道支护示意图如图3所示。

（1）正常情况下循环进度5m，由于受断层的影响，其顶板及帮部可能会出现破碎，要及时进行巷道顶板支护，顶锚杆间排距为1.0×1.0m，保证锚杆紧固力大于100N·m的要求。如发现顶板及帮部破碎或次生断层出现，立即减小循环进度，由5m降为2.5m，采取短掘短支，缓慢抬底，同时锚索、钢带及时跟进工作面，2m一条钢带，每条钢带3根锚索，帮支护紧跟工作面迎头。

（2）由于该断层区域内顶板离层，锚索必须及时紧固，预紧力大于150kN。要求在巷道顶板支护完成时，立即进行帮部支护，紧跟工作面迎头，帮网与帮网，帮网与顶网搭接200mm，每300mm用14#铁丝扭结。锚索施工时必须及时张拉，确保锚索支护的锚固段在坚硬岩层上。如顶板离层后层间距小于5m，顶帮网片支护到位后，则对该断层区域进行架棚支护。架棚采用11#工字钢，棚距1m，工字钢棚滞后工作面不得超过3m。工字钢支架规格：11102回风巷道横梁长5200mm，棚腿长3600mm，棚距1000mm，如图3（b）所示。

4 数值模拟

根据磁窑沟实际地质概况，并结合11102工作面钻孔柱状图，运用MIDAS软件建模并对网格进行划分，局部研究区域加密，建立磁窑沟过断层巷道模型，并导入FLAC3D数值模拟软件中进行计算。模型参数赋值根据地质报告中的岩层物理力学参数进行赋值，模型顶部自由，四周限制其位移边界条件，底部固支。应力边界条件为：顶部施加5MPa垂直地应力，四周施加6MPa水平地应力，模拟初始地应力场分布。模拟图及模拟结果图如图4所示。

图3 巷道支护示意图

图4 11102回风巷遇断层数值模拟图

由图4可知，11102回风巷掘进未进行补强支护前，巷道底板最大位移量为13.2mm，顶板最大位移量为28.5mm，左帮最大位移量为28.8mm，右帮最大位移量为29.4mm，断面收缩率为2.23%。11102回风巷掘进采用补强支护后，巷道底板最大位移量为12.7mm，顶板最大位移量为24.7mm，左帮最大位移量为24.6mm，右帮最大位移量为24.7mm，巷道断面收缩率为2.1%。较补强前，顶板最大位移量下降3.8%，底板最大位移量下降3.8%，左帮最大位移量下降16.0%，右最大位移量下降16.0%，断面收缩率下降0.89%，巷道稳定性高。

5 巷道位移监测

按照补强支护方案对11102回风巷进行支护，通过布置测点的方式对巷道两帮及顶底板进行了围岩移近量监测，对采集到的数据进行分析，绘制出11102回风巷围岩位移监测图，如图5所示。

图5 11102回风巷围岩位移监测图

由图5（a）可知，不进行支护时巷道两帮最大移近量283.3mm，支护后巷道两帮最大移近量减少到100.7mm，相对于支护前减少了64.5%（182.6mm）。由图5（b）可知，不进行巷道顶底板支护时巷道顶底板最大移近量为313.6mm，支护后巷道顶底板整体移近量减少，最大移近量减小到122.3mm，相对于支护前减少了61.0%（191.3mm）。

补强支护方案对11102回风巷进行加固后，巷道围岩稳定性有了明显提高，巷道两帮及顶底板移近量减少明显，说明补强支护方案是可行的。