回采巷道掘進(jìn)過斷層圍巖控制技術(shù)探討

張麗峰

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 034000）

1 工程概況

汾源煤業(yè)5-1021 巷沿5#煤層頂板掘進(jìn)，其埋藏深度378～410 m，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度632 m。該礦井為低瓦斯礦井，5#煤層傾角23°～27°，平均25°，平均煤厚15.45 m，煤層節(jié)理發(fā)育。

5-1021 巷掘進(jìn)要經(jīng)過兩條斷層，分別為H1=2.5 m、H2=15 m，本文以H2斷層為實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)分析。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，5-1021 巷的傾角為20°，斷面為矩形，掘高3.1 m，掘?qū)?.4 m，截面面積13.64 m2。工作面掘進(jìn)范圍內(nèi)構(gòu)造情況簡(jiǎn)單，左幫為煤，右?guī)突緸槟鄮r，頂板多為泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r，底板多為泥巖和粉砂巖，頂板完整性較好。因斷層會(huì)對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性造成較大影響，所以需制定合理的圍巖控制方案，以確保工作面能夠安全的通過斷層。

2 圍巖特征分析

2.1 鉆孔探測(cè)

為了解斷層圍巖的構(gòu)造特征，在巷道掘進(jìn)工作面通過打鉆孔進(jìn)行探測(cè)。鉆孔深6 m，位于巷道右?guī)停嚯x底板1 m，鉆孔方向與水平夾角為10°，探測(cè)結(jié)果見圖1。

圖1 鉆孔剖面

根據(jù)地質(zhì)勘察資料及鉆孔探測(cè)結(jié)果可知：5-1021 巷所揭露的斷層是正斷層，斷層位置在工作面前方4 m 左右，斷層落差約為15 m，傾角約為63°，斷層與5-1021 巷的相對(duì)位置見圖2。

圖2 斷層與5-1021 巷位置

2.2 圍巖力學(xué)參數(shù)

在掘進(jìn)工作面取部分巖樣進(jìn)行物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，先進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定其抗壓強(qiáng)度，而后進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定其粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。

（1）單軸抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 單軸抗壓強(qiáng)度

根據(jù)測(cè)定結(jié)果可知，天然狀態(tài)下，斷層處巖石的單軸抗壓強(qiáng)度約為6.36～7.21 MPa，吸水飽和后抗壓強(qiáng)度有所降低，約為2.48～3.15 MPa。總體來說斷層處圍巖抗壓強(qiáng)度較低，需加強(qiáng)支護(hù)。

（2）粘聚力與內(nèi)摩擦角

通過三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，繪制出巖樣的C-ψ曲線見圖3。

圖3 C-ψ 曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，斷層處巖石的內(nèi)摩擦角約為27°，粘聚力約為0.69 MPa。粘聚力和內(nèi)摩擦角值都較小，可知斷層處圍巖的較為破碎，穩(wěn)定性差。

2.3 礦物成分分析

采用衍射儀器對(duì)巖樣進(jìn)行檢測(cè)，分析其礦物成分，并將檢測(cè)結(jié)果對(duì)比礦物成分分類表，得斷層礦物成分分析結(jié)果見表2。

表2 礦物成分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知斷層處所取巖樣為泥巖。由礦物成分分析結(jié)果可知，硬度較大的石英含量?jī)H為39%，強(qiáng)度較低的高嶺石含量約為23%，遇水易膨脹的伊利石、蒙脫石含量約為30%。總體來說斷層處巖石強(qiáng)度較低、易軟化，需要加強(qiáng)支護(hù)。

3 圍巖控制

3.1 圍巖失穩(wěn)分析

巷道距離斷層面越近，頂?shù)装宓淖冃瘟吭酱螅瑖鷰r越容易失穩(wěn)[1]。此外，圍巖的失穩(wěn)還有以下原因：

（1）構(gòu)造應(yīng)力。由于斷層是經(jīng)過一系列的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)才形成的，因此斷層的構(gòu)造越復(fù)雜，其作用的構(gòu)造應(yīng)力就越大，相比于較為穩(wěn)定的重力，構(gòu)造應(yīng)力更大，且構(gòu)造應(yīng)力多不穩(wěn)定。因此，構(gòu)造應(yīng)力在極大程度上影響著巷道圍巖的穩(wěn)定性。

（2）巖體巖性。根據(jù)地質(zhì)資料，5-1021 巷揭露的斷層處巖石多為泥巖，其破碎程度較大、完整性差，且遇水易膨脹，因此在斷層附近極易發(fā)生冒頂，嚴(yán)重影響著巷道圍巖的穩(wěn)定性。

（3）支護(hù)不足。在較大的構(gòu)造應(yīng)力和松散破碎的巖體中，單一的支護(hù)形式很難達(dá)到理想的加固效果。如注漿漿液未能使松散圍巖充分粘結(jié)、錨桿末端未能嵌入到穩(wěn)定巖層，這些情況都容易造成巷道圍巖的失穩(wěn)。

3.2 巷道施工方案

當(dāng)巷道掘進(jìn)方向與斷層面夾角為90°時(shí)，巷道所受的壓力及產(chǎn)生的變形最小[2]。因此，在工作面掘進(jìn)至斷層處時(shí)，可改變掘進(jìn)方向，使巷道走向垂直通過斷層面。具體做法是：在掘進(jìn)至斷層處時(shí)，后退30 m，然后平行于斷層面掘進(jìn)45 m，最后改變行進(jìn)方向，垂直于斷層面施工，通過斷層，掘進(jìn)30 m 后最終回到原始的掘進(jìn)方向，施工設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 施工設(shè)計(jì)

3.3 圍巖控制技術(shù)

由于在斷層處圍巖體較破碎，因此需要提前進(jìn)行注漿加固，使破碎的圍巖粘結(jié)成為完整的巖體，而后采用“錨桿（索）+金屬網(wǎng)+ U 型鋼支架+ 噴砼”的方式進(jìn)行支護(hù)。

采用的主要工藝技術(shù)及參數(shù)表述如下：

（1）注漿加固

為使?jié){液與破碎圍巖快速粘結(jié)，采用“水泥漿液+ 固化劑”的注漿材料對(duì)圍巖進(jìn)行加固。每個(gè)斷面分別在頂板中心、肩部?jī)蓚?cè)、巷幫兩側(cè)共布置五個(gè)注漿孔，其中幫部注漿管距離底板2 m，肩部注漿管距離底板3 m、與底板夾角為50°，頂部錨桿與頂板垂直，其余注漿參數(shù)見表3。

表3 注漿參數(shù)

（2）錨桿

由于矩形斷面在巷道肩部易形成應(yīng)力集中，且在斷層處構(gòu)造應(yīng)力較大，為增大圍巖的自承能力、提高圍巖的穩(wěn)定性，將矩形斷面改為直墻半圓形，直墻高為原掘高的一半即1.5 m，半圓拱的半徑為掘?qū)挼囊话爰?.2 m，凈寬4.4 m。

錨桿長(zhǎng)度依據(jù)組合拱理論[3]計(jì)算：

式中：l1為錨桿外露長(zhǎng)度；l2為有效長(zhǎng)度；l3為錨固長(zhǎng)度。

根據(jù)實(shí)際工程條件及工程經(jīng)驗(yàn)，取l1=0.05 m，l2=2.05 m，l3=0.5 m。則錨桿長(zhǎng)度為l=0.05+2.05+0.5=2.6 m。

錨桿間排距取0.8 m，直徑取20 mm，每個(gè)斷面布置13 根。

（3）錨索

錨索的長(zhǎng)度根據(jù)以下公式確定：

式中：La為錨固長(zhǎng)度；Lb為不穩(wěn)定圍巖厚度；Lc為托盤厚度；Ld為外露長(zhǎng)度。

根據(jù)實(shí)際工程條件及工程經(jīng)驗(yàn)，取La=3 m，Lb=4 m，Lc=Ld=0.2 m。則錨索長(zhǎng)度為L(zhǎng)=7.4 m。

錨索間距取2.4 m，排距取1.6 m，每個(gè)斷面布置兩根。

（4）U 型鋼支架

U 型鋼支架選用“直腿+ 半圓拱”型，斷面內(nèi)為2 個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 段支架。

（5）金屬網(wǎng)

金屬網(wǎng)使用的鋼筋是直徑為6.5 mm 的圓鋼，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm。

（6）噴砼

采用強(qiáng)度C25 的混凝土，噴層厚度為150 mm。

5-1021 巷最終選擇的圍巖控制方案見圖5。

圖5 圍巖控制方案

4 效果分析

在巷道穿越斷層處及距離斷層10 m 處各安置1 個(gè)測(cè)站，通過安裝數(shù)顯收斂計(jì)來監(jiān)測(cè)圍巖變形情況，每個(gè)斷面安置4 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。結(jié)果顯示，斷層位置處圍巖表面變形最大[4]，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6。

圖6 圍巖表面變形量

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，斷層處巷道兩幫圍巖變形量均未超過10 mm，頂?shù)装遄冃瘟烤闯^20 mm，圍巖總體變形量較小，說明支護(hù)效果良好，穩(wěn)定性滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)斷層對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，重點(diǎn)分析了斷層處圍巖特征； 提出汾源煤業(yè)5-1021 巷過斷層圍巖控制方案，以及工作面過斷層方案；對(duì)圍巖表面變形情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，斷層位置處圍巖表面變形量不大；巷道圍巖的穩(wěn)定性得到了有效保障。