佟文亮 邊長奎 胡春慧

（棗莊礦業(yè)〈集團(tuán)〉公司蔣莊煤礦，山東 滕州 277519）

0 概述

南十一采區(qū)地面位于蔣莊井田的東南部，房莊村以東，于橋村、橋崗村西南，東側(cè)為岱莊井田，南側(cè)為付村井田；井下位于南九采區(qū)的東部，南七采區(qū)的東南部；本采區(qū)東至尹家洼斷層與岱莊井田相鄰(3下煤層?xùn)|北至可采邊界線)，南至蔣莊井田與付村井田邊界線、西至劉仙莊斷層及房莊村莊保護(hù)煤柱線與南九采區(qū)相鄰、北至19-2斷層及于橋村、橋崗村莊保護(hù)煤柱線；南北走向長1436-1901m，東西傾斜寬443-580m，面積911832m2。南十一采區(qū)四周以斷裂構(gòu)造為主，其中北、北東向的劉仙莊、尹家洼、19-2斷層及近東西向李集斷層對(duì)本采區(qū)煤層及構(gòu)造格局起控制作用，采區(qū)內(nèi)有17-6斷層，采區(qū)內(nèi)鉆孔末見巖漿巖、陷落柱等其它構(gòu)造，采區(qū)內(nèi)為一單斜構(gòu)造。劉仙莊斷層為正斷層，是本采區(qū)與南九采區(qū)的邊界斷層，走向NNE，傾向SE東，傾角75°，落差150米，控制程度可靠，見圖1。

我礦一水平南十一采區(qū)準(zhǔn)備巷道組將穿過劉仙莊斷層破碎帶，由于圍巖破碎，圍巖的自穩(wěn)能力很差，如果不采用有效的圍巖控制措施或由于設(shè)計(jì)及施工方法不合理，極易造成失穩(wěn)塌方，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)突水淹井事故。因此需要解決在大落差斷層破碎帶內(nèi)施工永久性巷道的防治水、頂板控制和長期維護(hù)的技術(shù)難題。見圖2。

1 巷道組過劉仙莊斷層破碎帶的圍巖應(yīng)力特征和破壞規(guī)律

為了確保安全高效施工，首先要開展斷層帶巷道附近巷道圍巖應(yīng)力預(yù)測(cè)工作。由于斷層帶巖石材料的分布與性質(zhì)比較復(fù)雜，一般的力學(xué)解析計(jì)算無法實(shí)現(xiàn)，相似材料模擬也非常困難，根據(jù)現(xiàn)有資料和其它鄰近礦過特大型斷層經(jīng)驗(yàn)，正常巖體中巷道垂直應(yīng)力的特點(diǎn)是，在巷道幫部具有較大的縱向壓力帶，局部可達(dá)16 MPa以上，而在巷道的頂部和底部各出現(xiàn)了一個(gè)波及范圍較大的垂直應(yīng)力削減帶，其中頂部可達(dá)到垂直壓應(yīng)力的消失，而底部則出現(xiàn)很大范圍的0壓應(yīng)力帶，甚至可能出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。

斷層帶中垂直應(yīng)力的分布總體上與正常地層中的一致。在巷道幫部也存在較大的垂直應(yīng)力集中帶，只不過集中程度減輕，集中范圍擴(kuò)大；而在頂部和底部也各存在一個(gè)壓應(yīng)力削減帶，但波及范圍更大一些。從應(yīng)力等值線來分析，從正常巖體的“橄欖球”狀變化為斷層破碎帶巖體的“柱狀”，呈現(xiàn)出破碎圍巖松散體的四周來壓特征。

正常巖體中巷道水平應(yīng)力的分布特點(diǎn)。在巷道幫部具有較大的水平壓力降低帶，局部可減少50%以上，而在巷道的圓弧頂?shù)男鄙戏胶拖锏赖膲翘?，各有一?duì)水平應(yīng)力集中帶，局部可達(dá)10 MPa以上；而在巷道的頂部和底部各出現(xiàn)了一個(gè)水平應(yīng)力削減帶，其中頂部和底部則出現(xiàn)很大范圍的0壓應(yīng)力帶，甚至可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。

與正常巖體相比較，斷層帶巷道圍巖水平應(yīng)力分布大致相似。但不同的是巷道幫部出現(xiàn)了較大范圍的0壓力帶，影響到了巷道的周邊，有可能全體出現(xiàn)拉應(yīng)力；從水平應(yīng)力等值線來分析，低應(yīng)力等值線的波及范圍更大，應(yīng)力削減帶的范圍更廣。

在不考慮支護(hù)的條件下，斷層帶巷道的頂板下沉是正常巖體的10倍以上，巷道底鼓是正常巖體的3倍以上；兩幫移近量是正常巖體的4倍以上。這反映出在斷層帶內(nèi)施工的巷道，圍巖變形是非常嚴(yán)重的，在巷道施工與維護(hù)的過程中必須引起高度重視。

斷層帶巷道與正常巖體巷道的圍巖塑性區(qū)的形狀是相似的，總體上呈現(xiàn)“蝴蝶型”。對(duì)比屈服區(qū)的大小，斷層帶巷道的圍巖塑性區(qū)是正常巖體的5-6倍。超大松動(dòng)圈的存在，給支護(hù)方式的選擇造成了不利的影響，必須深入做好巷道支護(hù)設(shè)計(jì)工作，并同時(shí)合理選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)。

在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中如巷道幫部均具有較大的縱向壓力帶，巷道的頂部和底部也出現(xiàn)了一個(gè)波及范圍較大的垂直應(yīng)力削減帶，甚至可能出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)；應(yīng)力等值線從正常巖體的“橄欖球”狀變化為斷層破碎帶巖體的“柱狀”；在巷道幫部具有較大的水平壓力降低帶，巷道的圓弧頂?shù)男鄙戏胶拖锏赖膲翘帲饔幸粚?duì)水平應(yīng)力集中帶，巷道的頂部和底部各出現(xiàn)了一個(gè)水平應(yīng)力削減帶等。

可以看出，圍巖塑性區(qū)的形狀與各施工巷道巷的情形是相似的，無論從塑性區(qū)形狀和大小上均反映了該規(guī)律。但值得提出的是，巷道塑性區(qū)是相互獨(dú)立的，沒有出現(xiàn)“交會(huì)”現(xiàn)象。

2 巷道組過劉仙莊斷層的工程實(shí)踐

根據(jù)我礦巷道圍巖的工程地質(zhì)條件和巷道布置情況，參考斷層帶應(yīng)力場(chǎng)的預(yù)測(cè)和巷道圍巖應(yīng)力和變形場(chǎng)的分析比較成果，我礦一水平南十一采區(qū)巷道組過劉仙莊斷層，巷道支護(hù)與施工的基本方法為:穩(wěn)、準(zhǔn)、快。

穩(wěn)——即穩(wěn)扎穩(wěn)打，步步為營，各工序間環(huán)環(huán)相扣，協(xié)調(diào)統(tǒng)一；

準(zhǔn)——即施工方法得當(dāng)，安全優(yōu)質(zhì)；

快——即速度快，快挖、快護(hù)、快封閉。

為此，根據(jù)支護(hù)動(dòng)態(tài)控制原理，提出斷層帶支護(hù)與施工的“早預(yù)報(bào)、超前探測(cè)、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤觀測(cè)”圍巖控制原則。

（1）早預(yù)報(bào)。根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件，選用直流電法、瞬變電磁法或地震等方法，對(duì)巷道前方斷層的賦存狀態(tài)和富含水等情況適時(shí)進(jìn)行綜合超前探測(cè)，得到了大量的前方斷層構(gòu)造準(zhǔn)確位置及裂隙發(fā)育情況的資料，為巷道掘進(jìn)的施工安全提供了可靠的地質(zhì)資料和有效的技術(shù)參數(shù)。

（2）超前探測(cè)。在施工前，要采用鉆孔勘探或物探等方法對(duì)斷層的富水性和導(dǎo)水性等水文地質(zhì)特征做出全面評(píng)價(jià)。若導(dǎo)水性差，應(yīng)對(duì)局部出水的可能性做出預(yù)案。準(zhǔn)備好排水泵、管路，并預(yù)先施工好排水溝；如出水嚴(yán)重，可以進(jìn)一步考慮采取注漿堵水措施。

（3）短進(jìn)尺。為減少開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，避免坍塌，巷道每次開挖進(jìn)尺控制在避免坍塌范圍內(nèi)(每循環(huán)進(jìn)尺控制為1米以內(nèi))。在軟弱圍巖及斷層破碎帶施工時(shí)，若條件許可，盡量采用全斷面方法施工；結(jié)合斷層實(shí)際情況，不宜采用全斷面開挖時(shí)，靈活地采用了半斷面微臺(tái)階或上下斷面順序開挖法，有效地保證了巷道迎頭的施工安全。

（4）弱爆破。遇斷層地段時(shí)，為防止塌方，盡量采用風(fēng)鎬掘進(jìn)。若必須采用爆破掘進(jìn)時(shí)，采用微震爆破放小炮掘進(jìn)，每循環(huán)進(jìn)尺控制為1米以內(nèi)；并且超前支護(hù)施工完畢并出完矸石后，再打下部眼，放炮采取分次放炮，先放拱基線以下各眼，然后放上部眼。嚴(yán)格控制炮眼的數(shù)量、深度及裝藥量，以盡量減少爆破對(duì)圍巖的震動(dòng)。

（5）強(qiáng)支護(hù)。強(qiáng)支護(hù)主要包括超前支護(hù)、及時(shí)支護(hù)、組合支護(hù)等三個(gè)方面。

①由于斷層帶巖層自穩(wěn)時(shí)間短，必須做到隨掘隨支。

②由于斷層帶圍巖壓力大，斷層泥持續(xù)流變時(shí)間長，采用錨噴、錨索、錨注和架棚等組合支護(hù)方式。

（6）快封閉。為各施工工序之間的距離應(yīng)盡量縮短，初期支護(hù)應(yīng)盡量靠近迎頭，以減少巖層的暴露時(shí)間，并盡快使全斷面封閉成環(huán)，采用錨索超前加固、錨噴全封閉式設(shè)計(jì)。

（7）勤觀測(cè)。施工過程中應(yīng)加大監(jiān)控觀察力度，隨時(shí)注意觀察巷道內(nèi)圍巖的受力及變形情況，檢查支護(hù)結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了較大的變形，混凝土噴層有無剝落等；同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)塌方地段的監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)，并將信息及時(shí)反饋到施工現(xiàn)場(chǎng)，必要時(shí)對(duì)支護(hù)參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整，以保證施工安全。

通過采用以上綜合技術(shù)措施，保證大巷組安全、順利地通過劉仙莊斷層，不出現(xiàn)大范圍冒頂。

3 主要結(jié)論

（1）通過斷層帶巖體內(nèi)巷道與正常巖體巷道比較，有以下特點(diǎn):頂部和底部也各存在一個(gè)垂直應(yīng)力削減帶，應(yīng)力等值線為“柱狀”，呈現(xiàn)出破碎圍巖松散體的四周來壓特征；巷道幫部出現(xiàn)了較大范圍的0壓力帶或可能出現(xiàn)拉應(yīng)力；頂板下沉是正常巖體的10倍以上，巷道底鼓是正常巖體的3倍以上；兩幫移近量是正常巖體的4倍以上；塑性區(qū)是正常巖體的5-6倍。這些應(yīng)力和位移特征會(huì)給支護(hù)方式的選擇造成了不利的影響，必須深入做好巷道支護(hù)設(shè)計(jì)工作，并同時(shí)合理選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)與參數(shù)。

（2）在施工工藝創(chuàng)新上，要形成斷層破碎帶巷道施工的“早預(yù)報(bào)、超前探測(cè)、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤觀測(cè)”的斷層帶施工技術(shù)和綜合保障體系，形成超前物探、超前加固、微震開挖、分步動(dòng)態(tài)支護(hù)等綜合配套技術(shù)。

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