張建超，曹其嘉

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 資源與測(cè)繪工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

斷層作為一種特殊的地質(zhì)構(gòu)造，廣泛分布在大多數(shù)礦井中，斷層兩盤沿著破裂面產(chǎn)生滑移，附近應(yīng)力場(chǎng)有較大的非連續(xù)性與應(yīng)力集中特性[1-3]。當(dāng)巷道穿斷層破碎帶時(shí)，巷道極易產(chǎn)生大變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有直接影響[4-6]。孟召平等[7]采用煤巖裂隙觀測(cè)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室研究，揭示了巷道過正斷層時(shí)的礦壓分布及煤巖體力學(xué)性質(zhì)。王恩營(yíng)等[8]通過力學(xué)分析正斷層的變形破壞，得到正斷層具有以剪切性為主的力學(xué)特征。于偉健等[9]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方式，將斷層附近圍巖分為斷層帶、斷層影響帶、破碎帶和節(jié)理帶4個(gè)影響區(qū)域。王襄禹等[10]從斷層附近的非對(duì)稱采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、巷道關(guān)鍵部位的剪切滑移破壞以及煤巖體碎脹變形分析了巷道過斷層大變形和支護(hù)失效的原因。閆帥等[11]分析了含水層上斷層區(qū)巷道圍巖控制技術(shù)，確定了含水層上巷道過斷層的重點(diǎn)控制區(qū)域，提出超前注漿+噴錨注漿+錨索關(guān)鍵部位加固方式。

針對(duì)巷道過斷層極易產(chǎn)生大變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問題，以上灣煤礦中六運(yùn)輸大巷過斷層為工程背景，采用數(shù)值模擬分析巷道過斷層中圍巖變形特征，提出關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面錨桿支護(hù)的圍巖控制技術(shù)，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。

1 工程背景

上灣煤礦中六運(yùn)輸大巷位于-520水平，由上盤揭露F2斷層組，F(xiàn)2斷層為正斷層，傾角60°，傾向305°，落差15 m，運(yùn)輸大巷過F2斷層剖面如圖1所示。中六運(yùn)輸大巷為直墻半圓拱形巷道，巷道斷面為4.0 m×3.6 m，原有巷道支護(hù)方式如圖2所示。

圖1 運(yùn)輸大巷過斷層地質(zhì)剖面

圖2 運(yùn)輸大巷原有支護(hù)示意

2 巷道過斷層圍巖變形破壞特征

2.1 數(shù)值模型的建立

采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，根據(jù)上灣煤礦中六運(yùn)輸大巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖3所示。其中試驗(yàn)巷道圍巖-280水平，模型的高度和寬度均為40 m。試驗(yàn)巷道為直墻拱形斷面，高3.6 m，寬4.0 m，其中墻高1.6 m，拱形半徑2.0 m。模型的底部采用固定邊界條件，頂部采用自由邊界條件，其余位置采用法相位移約束條件。模型的頂部施加12.25 MPa的垂直均布應(yīng)力，重力加速度取9.8 m/s2。試驗(yàn)巷道依次穿過斷層的上盤、斷層破碎帶和斷層的下盤，研究巷道掘進(jìn)過程中，斷層對(duì)掘進(jìn)擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律，以及對(duì)圍巖塑性破壞的影響。圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型示意

表1 數(shù)值計(jì)算中巖石力學(xué)參數(shù)

2.2 沿巷道走向圍巖變形破壞特征

從圖4可以看出，中六運(yùn)輸大巷過斷層的過程中，斷層破碎帶圍巖塑性破壞范圍明顯增大，塑性區(qū)呈斜三角分布，圍巖以剪切破壞為主。距離斷層面兩側(cè)約10 m范圍內(nèi)，斷層破碎帶塑性破壞深度明顯大于其他部位，塑性破壞區(qū)發(fā)展迅速，巷道圍巖移進(jìn)量最大值均出現(xiàn)在斷層破碎帶中，其中頂板、底板和幫部移近量最大值分別為306 mm、261 mm和212mm。距離斷層大于10 m時(shí)，圍巖塑性破壞范圍以及巷道圍巖變形量逐漸減小，直至穩(wěn)定階段。

圖4 沿巷道走向圍巖變形破壞特征

2.3 垂直于巷道走向圍巖變形破壞特征

中六運(yùn)輸大巷掘進(jìn)過程中，圍巖頂?shù)装搴蛢蓭退巼鷰r地質(zhì)力學(xué)條件會(huì)發(fā)生變化，巷道接近斷層破碎帶時(shí)，其底板巖性變?nèi)?；在斷層破碎帶位置時(shí)，其幫部圍巖巖性較弱；穿出斷層破碎帶時(shí)，其頂板巖性較弱。圍巖破壞以剪切破壞為主，剪切破壞的發(fā)生又與剪應(yīng)力密切相關(guān)，而最大剪應(yīng)力的值等于最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之間的差值，所以，研究巷道斷面最大剪應(yīng)力分布規(guī)律十分必要，主應(yīng)力差值分布如圖5所示。

圖5 巷道斷面圍巖最大剪應(yīng)力分布

正?；鶐r段：巷道頂?shù)装搴蛢蓭退苄詤^(qū)范圍較小，圍巖比較穩(wěn)定。主應(yīng)力差值形成一個(gè)閉環(huán)，圍巖能夠形成一個(gè)自穩(wěn)定承載圈。

上盤距斷層面5 m：斷層底板變形量增大顯著，底板圍巖的承載能力顯著降低；頂板塑性區(qū)基本不變，幫部塑性區(qū)范圍有所增大。應(yīng)力圈不能夠形成一個(gè)閉環(huán)，在底板區(qū)域有所缺失。此時(shí)，底板需要加強(qiáng)支護(hù)，讓圍巖的圍壓增大，形成自穩(wěn)圈。

斷層破碎帶中央：在斷層破碎帶中央時(shí)，幫部圍巖變形破壞較為嚴(yán)重，兩幫移近量較大，幫部圍巖的承載能力顯著降低。應(yīng)力圈在巷道幫部缺失，幫部圍巖需要加強(qiáng)支護(hù)。

斷層下盤接斷層：頂板塑性破壞嚴(yán)重，塑性區(qū)擴(kuò)大，頂板圍巖的承載能力顯著降低。應(yīng)力圈在頂板處缺失，頂板圍巖巖性較弱，塑性破壞深度較大，需要加強(qiáng)支護(hù)。

可見，上灣煤礦中六運(yùn)輸大巷過斷層的過程中，巷道圍巖破壞先后順序依次為：底板、兩幫和頂板。

3 工程應(yīng)用

3.1 巷道過斷層圍巖支護(hù)方案

數(shù)值模擬可知，中六運(yùn)輸大巷過斷層時(shí)，上盤底板和幫部圍巖為主要控制區(qū)域，防止產(chǎn)生大量的底鼓；下盤頂板和幫部圍巖為主要控制區(qū)域，防止冒頂事故的發(fā)生；圍巖破碎帶區(qū)域幫部圍巖變形破壞最為嚴(yán)重，防止片幫的發(fā)生。根據(jù)上灣煤礦大巷過斷層圍巖變形破壞分析可知，在斷層前后10 m范圍內(nèi)圍巖變形量較大，采取關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面錨桿支護(hù)的圍巖控制技術(shù)，如圖6所示。

圖6 加強(qiáng)支護(hù)段支護(hù)示意

3.2 支護(hù)效果分析

數(shù)值模擬分析：數(shù)值模擬分別對(duì)斷層上盤距斷層面5 m和斷層下盤距斷層面5 m處中六運(yùn)輸大巷圍巖主應(yīng)力差與位移矢量分布，如圖7所示。

圖7 圍巖主應(yīng)力差及位移矢量分布

中六運(yùn)輸大巷在關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面支護(hù)下，承載區(qū)域明顯增大，圍巖的自承能力增強(qiáng)明顯，形成全斷面應(yīng)力承載圈。在斷層上盤距斷層面5 m時(shí)底板變形量降低至81 mm，斷層下盤距斷層面5 m處頂板移近量降低至74 mm，可知通過加強(qiáng)支護(hù)有效降低了巷道過斷層圍巖變形。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析：為了分析支護(hù)方案對(duì)巷道圍巖的控制效果，通過布置測(cè)站，利用激光測(cè)距儀，采用十字交叉法，對(duì)斷層上盤和下盤分別進(jìn)行巷道圍巖表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖8所示。

圖8 各測(cè)點(diǎn)布置示意

通過各測(cè)點(diǎn)圍巖相對(duì)移近量由圖9可知，靠近斷層附近，巷道圍巖表面位移隨距斷層面距離減小而增大，最大位移均小于120 mm。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)均說明在斷層前后10 m范圍，采取關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面錨桿支護(hù)的圍巖控制技術(shù)具有合理性。

圖9 1#～6#測(cè)點(diǎn)圍巖相對(duì)移進(jìn)量

4 結(jié)論

(1)巷道過斷層，圍巖以剪切破壞為主，影響范圍為斷層面兩側(cè)約10 m范圍內(nèi)，其中頂板、底板和幫部移近量最大值分別為306 mm、261mm和212 mm。

(2)巷道過斷層時(shí)，上盤影響段巷道底板和幫部為主要控制區(qū)域，防止產(chǎn)生大量的底鼓；下盤影響段巷道頂板和幫部為主要控制區(qū)域，防止冒頂事故的發(fā)生。

(3)工業(yè)試驗(yàn)表明，在斷層前后10 m的范圍內(nèi)圍巖變形量較大，采取關(guān)鍵部位密集錨索支護(hù)+反底拱全斷面錨桿支護(hù)技術(shù)可有效控制圍巖變形，掘進(jìn)過程中最大位移均小于120 mm，圍巖控制效果較好。