2-208順槽斷層區域圍巖變形特征及控制技術

（霍州煤電集團霍汾設計咨詢有限責任公司，山西 霍州 031410）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦2-208綜采工作面位于310水平二采區，工作面北側緊鄰二采區軌道巷、皮帶巷，南側為二采區右翼皮帶巷，西側為二采區回風巷，東側為2-202工作面采空區。工作面走向長度175m，傾斜長度579.5m，所采2#煤層位于二疊系下統山西組，均厚4.1m，平均傾角為4°，煤層穩定可采，結構復雜，含兩層夾矸。具體煤層頂底板巖層特征見表1。

2-208工作面運輸順槽沿2#煤層底板掘進，掘進斷面為矩形，掘進寬度×高度=5.0 m×4.0m，工作面內存在F1162斷層，根據相鄰的2-202工作面回采期間構造揭露情況分析，預計工作面范圍內NE-SW走向斷層延伸距離較長，預計在工作面內延伸約320m，對回采影響較大，其中運輸順槽與斷層破碎帶的最小間距為15m，現為保障巷道圍巖的穩定進行近斷層區域圍巖控制技術研究。

表1 2#煤層頂底板巖層特征

2 巷道近斷層圍巖變形特征

2-208工作面運輸順槽在近斷層F1162斷層區域，巷道圍巖由于受到斷層各項要素的影響，致使構造應力增大，使得巷道在普通的錨網索支護方式下會呈現出圍巖變形量大的特征[1-2]，現為充分掌握運輸順槽在近斷層區域時變形特征，采用FLAC3D數值模擬軟件，建立長×寬×高=200 m×100 m×120m的模型，根據F1162斷層特征，取斷層傾角為45°，發育垂高為60m，發育厚度為7m，設置運輸順槽與斷層間的間距為15 m。

根據數值模擬結果，得出運輸順槽在近斷層區域掘進巷道時，巷道圍巖應力、位移及塑性區發育特征見圖1。

圖1 巷道近斷層破碎帶圍巖變形特征

分析圖1（a）可知，巷道在掘進至靠近斷層破碎帶區域時，巷道圍巖表現為不均勻變形的特征，其中在兩幫變形中，遠離斷層的一幫最大移近量為70 cm，靠近斷層的一幫最大移近量為90 cm；在頂底板變形中，巷道頂板的變形量較小，但底板呈現出較為明顯的底鼓現象，且巷道底板相對靠近斷層一側的底鼓量相對較大。

分析圖1（b）可知，巷道在近斷層破碎帶區域時，巷道靠近斷層一幫5m范圍內的圍巖應力較低，這是由于受到斷層破碎帶的影響，巷道圍巖的變形破碎相對較為嚴重，其承載能力較低，即表現為圍巖應力數值較低，在巷道相對遠離斷層的一幫，其幫部圍巖應力在2.5m范圍內應力較低，基于此可知巷道在近斷層區域圍巖應力呈現為非均勻對稱分布。

分析圖1（c）可知，巷道近斷層區域圍巖的塑性區發育特征同樣表現為非均勻對稱分布，其中巷道靠近斷層的一幫塑性區發育至與斷層破碎帶塑性區貫通，遠離斷層的一幫塑性區發育范圍相對較小，發育深度為4m，頂板塑性區發育深度為6m，底板塑性區的發育深度同樣與斷層破碎帶相貫通，且近斷層底板塑性區發育深度較大。

綜合上述分析結果可知，運輸順槽在近斷層區域時，圍巖主要表現為非對稱變形，其中靠近斷層一幫和底板的變形量及塑性區發育范圍相對較大。

3 圍巖控制技術

3.1 支護原則及措施

根據上述模擬結果，確定運輸順槽在近斷層區域，針對巷道淺部圍巖，應采用高預緊力、高強錨桿支護，以充分提高淺部圍巖體的強度，增強其自身的承載能力，通過錨桿支護整體提升淺部破碎圍巖體承載能力，將破碎圍巖體有效的組合在一起[3-4]。

由于錨桿支護并不能夠充分將淺部破碎圍巖體錨固在穩定巖層內，故需在巷道近斷層一幫施加錨索，以將巷道淺部破碎的圍巖錨固在深部具有一定承載能力的巖層內，以充分控制巷道近斷層一幫的變形。另一方面由于近斷層區域巷道底板變形量較大，為提升底板圍巖的承載能力，需在巷道底板近斷層一側施加錨桿支護以控制巷道底板鼓起。

3.2 支護方案

根據第二章的斷層區域圍巖變形特征，結合上述巷道近斷層區域的支護原則及措施，具體設計巷道在F1162斷層發育320m范圍的支護方案，具體如下：

（1）頂板支護：錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格為Φ22 mm×2400 mm，間排距為800 mm×800 mm，錨固方式為樹脂加長錨固，預緊扭矩為300 N·m，兩頂角錨桿與頂板成20°安設，其余錨桿均垂直于巷道頂板安設；錨索采用1×7股低松弛鋼絞線，規格為Φ17.8 mm×8500 mm，錨固方式為樹脂加長錨固，錨索采用“二一二”布置，間排距為2400 mm×800 mm，錨索預緊力為200 kN，斷面內布置兩根錨索時，錨索與頂板成20°安設，當斷面內布置一根錨索時，錨索與頂板垂直安設。頂板錨桿索采用鋼筋梯子梁進行聯結，采用10#鐵絲編織的金屬網進行護表。

（2）兩幫支護：錨桿采用螺紋鋼等強錨桿，規格為Φ22 mm×2400 mm，間排距為800 mm×800 mm，錨固方式采用樹脂加長錨固，設置預緊扭矩為250 N·m，其中兩幫角錨桿與巷幫成15°布置，其余錨桿均與巷幫垂直布置，底角錨桿距底板400 mm安設，采用偏心蝶形托盤，錨桿桿體端部錨固在底板巖層內220 mm，起到控制底角煤體變形的目的；另外，在距底板500 mm的位置處，與巷幫成5°～10°傾角安設規格為Φ22 mm×2400 mm的螺紋鋼等強錨桿，保障桿體端部錨固在煤體內，該錨桿起到的主要作用為允許幫部底角處出現一定程度的變形，起到讓壓的目的，以改善錨桿體的受力。近斷層側幫部錨索采用1×7股低松弛鋼絞線，規格為Φ17.8 mm×6300 mm，間排距為1600 mm×1600 mm，預緊力設置為250 kN，錨固方式同樣采用樹脂加長錨固，幫部錨桿索間同樣采用鋼筋梯子梁進行連接，采用10#鐵絲金屬網進行護表。

（3）底板支護：底板在近斷層側布置兩根錨桿，錨桿型號和規格同頂板，靠近底角一側的錨桿與底角間隔400 mm、與底板成20°安設，另一根錨桿與底角間隔1200 mm、與底板垂直布置，錨固方式采用樹脂加長錨固，預緊扭矩為300 N·m。

具體運輸順槽近斷層區域巷道支護形式見圖2。

圖2 運輸順槽斷層區域支護斷面

3.3 效果分析

為分析驗證運輸順槽近斷層區域的圍巖控制效果，在巷道掘出后持續進行85d的監測，根據監測數據得出巷道掘進期間表面位移曲線見圖3。

圖3 巷道表面位移曲線

分析圖3可知，巷道掘進期間近斷層區域圍巖變形主要發生在巷道掘進處后的0～40d內，當巷道掘出后超過40d后，圍巖變形速率逐漸降低，圍巖逐漸趨于穩定，圍巖變形中煤柱幫變形就底板鼓起量相對較大。圍巖變形穩定后，頂板最大下沉量和底板鼓起量的最大值分別為76 mm和84 mm，實體煤幫和煤柱幫的最大移近量分別為65 mm和90 mm，圍巖控制效果良好。

4 結語

根據2-208工作面內F1162斷層的發育特征，通過數值模擬具體分析2-208運輸順槽在近斷層區域圍巖變形規律，確定巷道圍巖變形呈現為非均勻對稱變形，巷道底板及近斷層一幫的變形量相對較大，基于數值模擬結果確定支護原則及措施，并具體進行支護方案設計，根據支護后表面位移觀測結果可知，支護效果良好，保障了圍巖的穩定。