东周窑煤矿应力扰动巷道变形破坏因素及支护技术研究

闫应勋

（晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037103）

地质断层会严重影响煤矿开采活动[1-2]。准确分析断层构造对矿区布置和巷道支护设计具有重要意义。大多数用于矿山地面控制应用的理论是基于均匀和连续的介质，没有考虑到地层中的不连续面，如节理、裂隙和断层。然而，由于开采活动，岩层中存在的节理、裂隙和断层的活化不可避免地破坏了顶板岩层的稳定性[3-5]。

关于断层构造对巷道围岩影响的研究较少，大多没有深入分析断层构造的影响[6-7]。本次研究旨在弥补上述不足。以东周窑煤矿5104巷道穿越断层带为例，研究了穿越断层构造带的巷道变形破坏机理，分析了断层结构对掘进工作面推进应力的影响、巷道开挖后围岩应力状态以及断层对围岩应力的影响范围，比较了断层构造带巷道和正常构造带巷道的应力，提出巷道支护技术和方案。

1 工程概况

东周窑煤矿5104巷道开口处位于山4#层南辅运大巷里程4425 m处，工作面位于二叠系下统山西组4#层一盘区。4#煤层含夹矸1～5层，最大为0.85 m，最小为0.15 m，平均厚度0.43 m，岩性多为黑色泥岩、灰色砂质泥岩。煤层总厚6.52～7.56 m，平均7.04 m，纯厚4.10～7.06 m，平均5.58 m，煤层结构复杂，煤层倾角0.5°～5.5°，平均1.6°。

在5104巷掘进至13 m处将揭露煤层落下正断层5104，构造情况见表1，煤层顶底板情况见表2。

表1 构造情况表

表2 煤层顶底板情况表

2 影响巷道变形的因素

巷道深度、围岩性质和强度等因素对围岩的变形破坏均有影响。5104巷道埋深900 m，巷道周围岩石的垂直应力约为22.5 MPa。巷道围岩的强度普遍较弱，巷道顶底板多见泥岩，一旦泥岩石吸水，其强度显著降低，巷道开挖后将持续缓慢变形。

断层构造也影响巷道围岩的应力状态。首先，断层结构会导致围岩某些区域的水平应力高度集中。其次，在断层形成中，断层周围的浅层岩石破碎严重，在巷道的许多区域可以发现带有岩屑的凹陷网孔。对于软弱围岩的巷道，断层结构会导致巷道浅层岩石的破坏，并引起巷道周围岩石应力状态的变化。

在锚杆锚固区外、锚索锚固区内的裂隙中，水平裂隙一般发育为离层裂隙，而水平裂隙和纵向裂隙均可成为裂隙带并向深部扩展。在这个过程中，产生了许多新的裂缝，其中大多数是水平裂缝。表层裂缝数量、裂缝发育程度和新生裂缝数量均高于中部，深部裂缝数量最少。

3 巷道控制技术

顶部锚杆500#/Φ22 mm×2400 mm左旋无纵肋螺纹钢锚杆，排间距为1000 mm×920 mm，W钢带W235-280×4900-4.0，排距为1000 mm。帮部锚杆500#/Φ22 mm×2400 mm左旋无纵肋螺纹钢锚杆，排间距为1000 mm×900 mm。锚杆托板150 mm×150 mm×10 mm，钢护板采用W235-280×450-4 mm。顶 板 锚 索SKP21.8-19/1860，L=7300 mm布置方式为“三二三”布置，排间距为2000 mm×1380 mm。锚索托盘300 mm×300 mm×14 mm。顶部为Φ6 mm焊接的钢筋网，网格为100 mm×100 mm，搭接不小于200 mm。帮部菱形网采用8#铅丝网，网格50 mm×50 mm，菱形网搭接不小于100 mm。5104巷底板铺底厚度为200 mm，铺底砼强度C25，每立方米混凝土材料用量：水泥:水:粗砂:碎石= 372:175:593:1260；重量配合比：水泥:水:粗砂:碎石=1:0.47:1.59:3.39，水灰比值为0.47。按照设计预留300 mm宽卸压槽，并用碎石子进行填充。巷道支护方案如图1。

图1 巷道支护方案（mm）

4 巷道支护效果

巷道围岩控制的实质是控制巷道的变形量，保证矿山正常安全生产有足够的空间。因此，选择巷道围岩变形量作为评价控制效果的主要指标。5104巷开挖后15～18 d，顶底板累计收敛量约为30 mm，顶板沉降量累计为20～25 mm，两帮变形量累计为95～105 mm。从图2可以看出，5104巷道在开挖后4～6 d出现了顶板离层。在顶板内7.5 m处，离层量为39 mm，在顶板内2.4 m处，离层量为20 mm。如图3。

图2 巷道位移量

图3 巷道离层量

5 结论

本文研究了断层构造带内巷道围岩的特征，分析了影响巷道变形破坏的因素。将围岩强度较低且受断层结构影响较大的巷道定义为应力扰动敏感巷道，提出了有效的锚杆预紧设计支护方案，确定了断层构造区内巷道的支护系统参数。巷道围岩控制的实质是控制巷道的变形量，保证矿山正常安全生产有足够的开挖剖面。