3300回风巷掘进工作面过断层围岩控制技术研究

王爱军

（山西阳城阳泰集团白沟煤业有限公司，山西 阳城 048100）

断层是一种常见的地质构造，因断层造成的煤岩层错位、围岩破碎及应力集中等问题，给煤矿生产增加施工难度及安全风险[1-2]。因此，掘进或回采工作面过断层前必须充分分析断层特征、围岩应力分布及影响范围，制定合理的过断层方案，制定针对性的补强支护方案，以确保安全过断层。本文以白沟煤矿3300工作面回风巷过F3断层为例，分析断层特征及应力分布，制定针对性过断层方案及补强支护方案。

1 工程概况

白沟煤矿3300工作面位于矿井西部的33采区，回采3号煤层，煤层厚度3.6～6.3 m。直接顶为粉砂岩，均厚4.6 m；基本顶为砂质泥岩，均厚8.5 m；直接底为砂质泥岩，均厚6.8 m；基本底为粉砂岩，均厚7.3 m。煤岩层倾角3°～6°，整体呈南高北低的单斜构造。3300工作面回风巷设计走向长度1360 m，巷道沿3号煤层顶板掘进，采用锚网支护，断面为矩形，设计巷道规格为宽×高=4 m×3.6 m。3300工作面回风巷掘进至860 m处揭露F3正断层，断层产状为北偏东40°，倾角62°，落差5.2 m，断层处煤厚4.3 m，煤层完全断开，巷道沿3号煤层顶板掘进至揭露断层时已掘进至断层下盘的煤层底板砂质泥岩内，为此，需制定过断层方案及补强支护形式。煤层顶、底板岩性物理特征见表1。

2 断层区域应力分布规律分析

2.1 数值模型的建立

数值模型采用FLAC3D软件，选用Mohr-Coulomb本构模型，根据断层附近3号煤层顶、底板岩性及厚度建立岩层模型，模型长度90 m，宽度45 m，高度55 m，X轴为煤岩层走向，Y轴为倾向，Z轴为顶底板垂直方向。为通过加载观测断层附近的应力分布规律，将断层位置设置在模型的中部，即X轴坐标的45 m处，将底部设置为固定边界条件，并将水平方向施加水平约束，然后根据上覆岩层自重，对模型顶部施加17.5 MPa垂直压力，完成断层区域原岩应力模型的建立。建立的模型如图1。

图1 断层区域原岩应力模型

2.2 扰动模拟设置及结果分析

为分析掘进扰动前后断层附近应力变化情况，首先根据初始加载应力记录断层附近的应力变化情况，并绘制应力变化曲线图如图2所示。然后分析掘进扰动下断层区域应力分布变化情况，设置X轴从左到右为巷道的掘进方向，巷道设置为宽×高=4 m×3.6 m的矩形断面，掘进循环进度根据实际情况设置为0.8 m，将每个循环的应力变化整理出距离断层不同位置处的应力变化曲线图，如图3。

根据图2可知，在初始加载应力下，断层处最大应力值为23.2 MPa，断层两侧随距离变化呈迅速递减趋势。在距离断层约20 m范围内，应力变化梯度较大；距离断层20 m以外，断层对应力变化影响变缓；至距离断层30 m以外，应力值基本保持稳定。说明断层对附近应力影响较为明显的范围为断层两侧30 m。

图2 初始应力下断层附近应力变化曲线图

根据图3可知，巷道掘进后，按照断层影响范围30 m，从距离断层30 m处开始每掘进5 m记录一次应力变化。通过记录曲线可知，不同距离所产生的应力变化呈距离断层越近应力越大趋势。掘进至断层中心位置处应力值达到最大值30.2 MPa，相比于未掘进前的初始应力下增加7 MPa。由此分析受巷道掘进扰动影响，断层附近应力进一步增大，并根据应力值变化规律可知，掘进工作面距离断层越近，应力值增长速度越快。

图 3 掘进时不同测点应力变化曲线

3 过断层方案

3.1 掘进工作面过断层方案

过断层必须从安全、高效、施工难度等方面进行综合考虑，以确定最佳过断层方案。掘进工作面常规过断层方法分别有断层中部直接穿过法、后退卧底法、后退挑顶法[3-8]。结合F3断层特征分析，采用断层中部直接穿过法存在前期破顶、后期托顶煤掘进，将造成顶板难管理、工程难度较大且周期较长等问题。后退卧底法无法进入断层下盘的煤层内，过F3断层需掘进至断层下盘上部的煤层内，且因断层附近煤岩体破碎，不宜采用托顶煤过断层。故需采用后退挑顶法过断层，即后退至距离断层一定位置处向煤层顶板方向掘进，并将后退段巷道通过铺底垫实，掘进至揭露断层后巷顶直接与断层下盘的煤层顶板对接。后退挑顶过断层法避免了托顶煤施工，且工程量小，安全系数高。

为确保后退挑顶法过断层的成功实施，需根据断层特征、挑顶坡度及相应计算得出后退距离。根据F3断层特征可知，断层落差5.2 m，根据巷道使用需要，确定巷道挑顶坡度为12°，通过公式（1）即可计算后退距离：

S=h·ctgθ（1）

式中：S为需后退距离，m；h为断层落差，取5.2 m；θ为挑顶坡度，取12°。

通过式（1）计算得知，需后退24.5 m，即距离断层24.5 m处以+12°坡度挑顶施工，即可实现过断层后巷顶与断层下盘的煤层顶板对接。后退挑顶法过断层方案示意图如图4。

图4 后退挑顶法过断层方案示意图（m）

3.2 过断层补强支护方案

根据断层影响范围及后退挑顶过断层方案，需在距离断层至少30 m处开始采取补强支护方案。采取补强支护后，方可在距离断层24.5 m处挑顶施工。为确保安全起见，决定在距离断层40 m处开始实施锚网支护+锚索补强+注浆加固的补强支护方案，具体支护方案如下：

（1）锚网索补强支护

3300工作面运输巷原支护形式为锚网支护，顶部锚杆为Ф20 mm高强螺纹钢锚杆，帮部为Ф20 mm高强玻璃钢锚杆，长度均为2 m，锚杆间排距为1 m×1 m。过断层区域补强支护方案为：顶部锚杆变更为Ф22 mm高强螺纹钢锚杆，帮部锚杆变更为Ф22 mm高强玻璃钢锚杆，长度均变更为2.4 m，锚杆间排距均缩小至0.8 m；顶部增加两根补强支护锚索，锚索采用Ф17.8 mm高强预应力钢绞线，锚索长度6.3 m，锚索施工位置为巷中偏两侧0.9 m处各布置一根，锚索排距1.6 m。

（2）注浆加固

注浆范围为断层两侧40 m范围（同补强支护范围一致）。过断层掘进期间，滞后迎头10 m以上开始实施注浆加固。注浆加固与掘进平行作业，确保断层附近破碎围岩的及时胶结稳固。浆液水灰比1.5:1，注浆孔深2 m，巷顶中部布置一个，巷顶两侧距帮0.5 m处各布置一个，排距1.6 m。注浆效果以断面内锚杆、锚索及顶、帮均匀渗出浆液后停止第一回次注浆，待浆液凝固48 h后实施第二回次注浆，直至注浆压力达到4 MPa后停止注浆。

4 实践效果分析

3300工作面回风巷过F3断层采取后退挑顶法过断层方案及补强支护方案后，进行现场观测，过断层期间未发生破碎围岩冒落情况，过断层后实现巷顶与断层下盘的煤层顶板直接对接，避免托顶煤施工情况，实现了安全过断层。此外，通过对过断层补强支护段每隔20 m建立一组矿压观测站，采用十字测量法观测顶板下沉量、底板底鼓量、两帮位移量，并择取变形量最大一组测站根据观测天数绘制变形量变化曲线图，如图5。

图5 围岩变形量变化曲线图

根据矿压观测数据分析，对过断层段采取补强支护后，掘进后巷道前10 d内围岩变形量增幅较大，分析为掘进扰动影响下应力重新分布，围岩在支护体支撑空间内发生了短时的快速变形。10～40 d内各类变形量增幅均有明显减缓，80 d后各变形量均趋于稳定，顶板最大下沉量稳定在93 mm，煤柱帮最大位移量稳定在97 mm，实体煤帮最大位移量稳定在73 mm，最大底鼓量稳定在81 mm，表明在补强支护下，围岩变形量已得到有效控制，巷道最大变形量在巷道支护体允许变形范围之内。

5 结论

（1）通过对白沟煤矿3300工作面回风巷揭露的F3断层进行数值模拟，得出断层影响范围为断层两侧30 m，掘进扰动下最大应力达到30.2 MPa，距离断层越近的区域应力集中程度越高。

（2）采取的后退挑顶法过煤层完全断开的正断层具有工程量小、安全系数高的优点，避免了托顶煤过断层，且层位安全对接准确，实现安全过断层。

（3）采取的锚网支护+锚索补强+注浆加固支护方案能够满足过断层段的支护要求，围岩最大变形量仅97 mm，为巷道安全过断层提供保障。