伏巖煤業3202 上分層運輸順槽斷層破碎帶圍巖控制技術

吉艷偉

（山西陽城陽泰集團伏巖煤業有限公司，山西 陽城 048105）

我國煤礦以井工開采為主，需要掘進大量的巷道，由于煤層賦存條件復雜，巷道掘進必不可少會遇到斷層破碎帶等地質構造。斷層破碎帶范圍內，巖體原巖應力分布復雜，存在局部應力集中現象，受采掘活動影響斷層易出現活化，應力環境進一步調整。由于斷層是上下盤巖層出現剪切破壞形成的，該區域內巖體相對破碎，穩定性極差，同時斷層附近富含裂隙、節理，在采掘活動中易出現透水、突水現象[1-3]。由于斷層構造帶應力環境復雜，圍巖強度較低，導致巷道支護、維護困難[4-6]。本文以伏巖煤業3202 上分層運輸順槽揭露F1 和F2 斷層為工程背景，通過提出斷層破碎帶圍巖控制原則，從而開發斷層破碎帶圍巖控制技術，可為類似地質條件礦井巷道支護設計提供指導，具有一定的研究意義。

1 工程概況

3202 上分層工作面位于二采區大巷西側，南鄰3201 采空區，北面為實體煤，東鄰二采區大巷。工作面地面標高為+858～ +923 m，井下標高為+425～+465 m，走向長度為853 m，傾向長度為190 m。煤層平均厚度4.96 m，結構簡單，煤層傾角1°～6°。基本頂為灰色細粒砂巖，厚度3.5 m，致密堅硬，成分以石英為主，分選性和磨圓度中等；直接頂為灰黑色粉砂質泥巖，厚度12.67 m，含植物化石；偽頂為黑色炭質泥巖，厚度0.19 m，不穩定，隨采隨落；直接底為黑色炭質泥巖，厚度0.61 m，見植物化石，煤紋，方解石細脈；基本底為黑色粉砂質泥巖，厚度4.52 m，植物化石豐實，含煤紋。地質資料顯示， 3202 上分層運輸順槽掘進至664 m 和328 m 揭露斷層F1 和F2。F1 和F2 斷層均為正斷層，其中F1 走向NE-SW，傾向NW，傾角75°，最大落差4 m，延伸長度260 m；F2 走向NE，傾向NW，傾角75°，最大落差4 m，延伸長度110 m。

2 斷層破碎帶圍巖控制原則

斷層構造帶區域圍巖應力環境復雜，強度較低，受采掘活動影響，巷道極易出現大變形現象，需采用特殊的控制技術。

（1）破碎圍巖強度強化原則。斷層構造帶區域圍巖強度較低，存在大量節理裂隙，自穩能力較差，采用注漿強化方式提高圍巖強度，漿液滲透至巖層節理裂隙，促使巖體形成整體結構，充分改善圍巖自身承載性能，為高預應力錨固結構提供良好的圍巖條件。

（2）高預應力強主動支護原則。采用高強度、高剛度錨桿索及其組件，利用高預應力主動支護原則，促使巷道圍巖形成一層主動承載結構，充分發揮圍巖自身承載性能，同時采用金屬網、鋼筋梯子梁、W 鋼帶提高護表面積，在巷道圍巖表面形成約束力，避免巷道表層巖體碎脹變形。

（3）圍巖表層防風化原則。采用混凝土噴射技術在巷道表面噴射一層一定厚度同時具有一定強度的混凝土噴層結構，防止巷道表層巖體風化破壞，同時還可提高一定的柔性支護作用。

3 斷層破碎帶圍巖控制技術

基于3202 上分層運輸順槽生產地質條件，結合斷層破碎帶圍巖控制原則，提出斷層破碎帶圍巖控制技術。巷道掘進寬度4.5 m，掘進高度3.2 m。巷道注漿支護斷面和巷道高預應力強主動支護斷面如圖1、圖2，具體技術和參數如下：

（1）破碎圍巖強度強化支護。采用普通硅酸鹽水泥漿液，水灰比1:1.5，注漿孔直徑42 mm，長度4.0 m，注漿管采用PVC 管，管徑為25 mm，長度為2.5 m，注漿管上設置若干出漿孔，注漿壓力設計為2.0 MPa，間排距1.6 m×3.0 m。具體參數如圖1。

（2）高預應力強主動支護。頂幫均采用錨網索支護，錨桿規格為Ф24 mm、L2.4 m 的高強錨桿，間排距800 mm×800 mm，錨桿采用14 mm 圓鋼焊接的鋼筋梯子梁連接，每根錨桿配套120 mm×120 mm×12 mm 的高強蝶形托盤，同時配套2 支樹脂錨固劑，1 支Z2360，1 支K2360，保證錨固長度不低于1.2 m，錨桿預緊扭矩不低于300 N·m。采用錨索加強支護，頂板錨索為Ф21.6 mm、L7300 mm的鋼絞線，間排距1600 mm×3000 mm，幫部錨索為Ф19.8 mm、L5300mm 的鋼絞線，間排距1400 mm×3000 mm。錨索采用3 mm 厚的W 鋼帶連接，每根錨索配套300 mm×300 mm×14 mm 的高強蝶形托盤，同時配套4 支樹脂錨固劑，1 支Z2360，3 支K2360，保證錨固長度不低于2.4 m，錨索張拉預緊力不低于45 MPa。頂幫均鋪設10#鋼筋編制的金屬網，頂板金屬網規格4400 mm×1200 mm，幫部金屬網規格3000 mm×1200 mm。具體支護參數如圖2。

圖1 巷道注漿支護斷面

圖2 巷道高預應力強主動支護斷面

（3）混凝土噴層支護。巷道表面噴射100 mm厚的混凝土噴層，用于防止漿液外漏和圍巖表層防風化，混凝土強度設計為C20。

4 應用效果分析

將斷層破碎帶圍巖控制技術用于3202 上分層運輸順槽揭露的F1 和F2 斷層破碎帶，同時監測巷道變形情況，監測結果如圖3所示。巷道掘出50 d內，圍巖變形速度較快，左幫平均變形速率1.46 mm/d，右幫平均變形速率1.71 mm/d，底板平均變形速率1.25 mm/d，頂板平均變形速率2.17 mm/d；巷道掘出50 d 后，巷道圍巖變形速度大幅度減小，平均變形速度小于0.5 mm/d，巷道圍巖趨于穩定后，左幫最大變形約86 mm，右幫最大變形約92 mm，頂板最大變形約116 mm，底板最大變形約70 mm。整體看，巷道頂板變形最大，底板變形最小，左幫和右幫變形量接近。綜合來看，巷道變形均在允許范圍內，變形后的巷道可滿足服務需求，證明了斷層破碎帶圍巖控制技術與參數的合理性和可靠性。

圖3 巷道變形情況

5 結論

斷層構造帶應力環境復雜，圍巖強度較低，導致巷道維護困難。以伏巖煤業3202 上分層運輸順槽揭露F1 和F2 斷層為工程背景，提出了斷層破碎帶圍巖控制原則，包括：破碎圍巖強度強化原則、高預應力強主動支護原則、圍巖表層防風化原則，開發了斷層破碎帶圍巖控制技術，包括：破碎圍巖強度強化支護、高預應力強主動支護、混凝土噴層支護。技術應用后，巷道變形均在允許范圍內，且變形后的巷道尺寸可滿足服務需求。