下霍矿大断面大跨度切眼过断层支护技术探讨

崔浩东

（山西三元煤业股份有限公司下霍煤矿，山西 长治 046000）

目前，工程人员已经对采煤工作面切眼掘进、支护技术问题进行了大量的研究，刘世峰等人[1]针对厚冲击层薄基岩地质情况下大断面开切眼问题进行了研究，提出采用组合注浆锚杆支护措施对切眼进行锚固，提高支护强度；赵瑶[2]提出软厚煤层大断面切眼采取超前支护措施，支护效果较好；丁国峰[3]等人对大跨度切眼断面围岩应力分布情况进行了数值模拟，对围岩不稳定因素进行了分析，提出大跨度切眼需要增加1.5倍支护强度，断面中部须进行锚杆加密施工设计；其他专家学者分别针对大倾角断面、复杂地质构造区域断面及深部开采断面等不同情况切眼掘进技术进行了研究[4-6]。以下霍矿二采区2305切眼掘进支护为背景，对切眼掘进后围岩演化规律进行了模拟研究，并结合目前先进工程技术提出了综合支护方案。

1 工程概况

2305工作面开采3#煤层，走向长度1 200 m，倾斜长度261 m，平均埋深572 m，南侧、北侧、西侧均为实体煤，东侧为2303工作面采空区，两个工作面之间预留煤柱60 m。3#煤层平均厚度5 m，煤层倾角0°～6°，硬度0.4，煤层无瓦斯突出危险性。煤层顶板以粉砂岩为主，平均厚度7 m，煤层底板以泥岩为主，平均厚度3 m。直接充水水源为顶板砂岩裂隙水，单位涌水量约为0.007 L/s。采面位于奥灰水承压范围内，煤层底板距离承压区110 m，无构造破坏便不构成水害危险性。切眼掘进会揭露FD34正断层，断距15 m，倾角50°，落差3.8 m，断层会形成岩层破碎带。2305切眼设计断面为矩形断面，宽度8.5 m，高度3 m。

2 围岩应力分布数值模拟研究

2305切眼位置掘进过程中会遇到FD34断层。断层构造周边岩体比较破碎，围岩稳定性较差，支护措施强度不足必然导致顶板垮落，为后期工作面支架安装造成安全隐患。为保证断层构造区域支护强度足够，现对断层区域围岩稳定性进行数值模拟研究。

2305切眼平均埋深572 m，根据应力计算公式的区域最大主应力21.52 MPa，最小主应力12.67 MPa。为确定切眼位置主应力大小，采用KX-81型空心包体三轴地应力计对区域内应力进行测量，仪器结构如图1所示。设备中，主体结构为壁厚为3 mm的空腔套环，套环周围布置电阻应变花，电阻应变花沿着套环壁均匀布置3个，环形平均分布。整个设备安装在钻孔内部，通过解算测试的应变量分析地应力大小。在2305切眼位置布置3个ϕ50 mm钻孔，通过解算测得3个钻孔的应力分别是20.76 MPa、20.13 MPa、20.98 MPa，地应力取3个量平均值，即地应力参数取20.62 MPa。

图1 KX-81型空心包体三轴地应力计结构

分别在顶板、底板、煤层取样本，通过实验测定顶底板岩层力学参数如表1所示。

表1 2305切眼围岩物理力学参数

根据2305切眼位置测得的地应力大小和围岩应力参数进行数值模拟运算，采用软件COMSOL Multiphysics进行模拟研究，假设顶板、底板以及煤岩体为均匀介质，不考虑岩体中水介质、瓦斯气体介质渗流作用，建立几何模型如图2所示。

建立的数值模型基于有限元理论，模拟介质在弹性范围内的位移量。采用软件中固体应力弹性形变模型，模型顶板载荷为20.62 MPa，模型顶部、左右边均为固定约束，通过运算得到30 d时巷道围岩形变云图如图3所示。

图2 几何模型

图3 围岩位移分布云图

根据图2可知，在顶板应力载荷下，2305切眼位于断层下盘侧出现的位移量比较大，最大位移量为300 mm，且2305切眼右帮位置、右帮侧底板均出现位移量比较大的现象。切眼位置顶板上部断层区域周边出现位移大的现象，最大位移量240 mm。综合分析，2305切眼位置以及右帮位置存在严重破碎现象，顶板断层区域存在破碎现象，破碎带主要分布在断层下盘位置区域。采用传统锚固支护措施直接应用在这种特殊地质区域必然会发生支护失稳现象。

3 切眼支护措施及考察

根据数值模拟运算结果可知，2305切眼顶板岩层在断层构造区域出现破碎导致围岩失稳。为解决以上问题，首先需要对断层区域实施改性措施，然后进行支护。改性措施主要目的是增强断层区域围岩的整体性，因此可以通过对断层区域预注浆和超前支护措施提高断层区域围岩稳定性。

3.1 支护措施

根据2305切眼位置通过FD34断层过程中围岩分析情况，制定支护措施具体如下：

（1）断层区域注浆。通过对断层区域注入一定黏度水泥浆，将断层区域破碎岩体进行固化，形成整体顶板；注浆作业选用ZBQ-8/10矿用气动注浆泵，井下拌水泥浆液，水灰比1∶1.7，采用硅酸盐水泥，水泥浆中加入速凝剂。在距离断层60 m位置点施工钻孔，孔径ϕ80 mm，直接施工到2305切眼断面轮廓线通过断层位置上部竖向0～20 m范围区间，施工钻孔8个，注浆至压力稳定在6 MPa，持续稳定15 min为注浆达标指标。

（2）超前支护。巷道掘进过程中进行管棚超前支护。管棚为普通钢管，钢管平均分布在巷道轮廓线周边即可。

（3）锚杆支护。锚杆支护采用锚杆锚索联合支护措施，支护方式如图4所示。

图4 支护措施事宜

3.2 效果考察

通过以上改性措施、超前支护、锚杆支护措施实施完成后，对断层构造区域顶板变形量进行效果考察，在该区域安装顶板离层仪，对顶板离层仪数据进行统计分析，观测周期为14 d，统计结果如图5所示。

图5 顶板位移观测曲线

根据图4可知，2305切眼位置通过FD34断层过程中，实施完成以上措施后，14 d内深部最大位移量50 mm，稳定时间点为第8天，第8天后顶板位移量未增加；浅部最大位移量为15 mm，稳定时间点为第9天，第9天后顶板浅部位移量未增加。

综合分析，顶板深部、浅部位移量均较小，整体支护措施效果明显。现场顶板未出现破碎现象。

4 结语

下霍矿2305切眼掘进最大安全风险为过FD34断层顶板支护。通过数值模拟，2305切眼掘进过FD34断层顶板、右帮最大位移量300 mm，位移量比较大。过断层区域采取注浆改性措施、管棚超前支护、锚杆锚索联合支护，顶板深部最大变形量50 mm，综合措施效果明显。