南十一采区巷道组过刘仙庄断层地应力分析及施工综合方法应用研究

佟文亮　边长奎　胡春慧

（枣庄矿业〈集团〉公司蒋庄煤矿，山东 滕州 277519）

【摘　要】本文以深井巷道组过特大型断层（落差大于100 m）破碎带为工程背景，分析了断层破碎带中巷道组围岩的力学特征以及相互影响；结合断层破碎带围岩的实际情况，建立了“早预报、超前探测、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤观测”的断层带施工技术和综合保障体系，形成超前物探、超前加固、微震开挖、分步动态支护等综合配套技术，保证了巷道的施工安全。

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关键词 断层；地应力；施工方法

0　概述

南十一采区地面位于蒋庄井田的东南部，房庄村以东，于桥村、桥岗村西南，东侧为岱庄井田，南侧为付村井田；井下位于南九采区的东部，南七采区的东南部；本采区东至尹家洼断层与岱庄井田相邻(3下煤层东北至可采边界线)，南至蒋庄井田与付村井田边界线、西至刘仙庄断层及房庄村庄保护煤柱线与南九采区相邻、北至19-2断层及于桥村、桥岗村庄保护煤柱线；南北走向长1436-1901m，东西倾斜宽443-580m，面积911832m２。南十一采区四周以断裂构造为主，其中北、北东向的刘仙庄、尹家洼、19-2断层及近东西向李集断层对本采区煤层及构造格局起控制作用，采区内有17-6断层，采区内钻孔末见岩浆岩、陷落柱等其它构造，采区内为一单斜构造。刘仙庄断层为正断层，是本采区与南九采区的边界断层，走向NNE，倾向SE东，倾角75°，落差150米，控制程度可靠，见图1。

我矿一水平南十一采区准备巷道组将穿过刘仙庄断层破碎带，由于围岩破碎，围岩的自稳能力很差，如果不采用有效的围岩控制措施或由于设计及施工方法不合理，极易造成失稳塌方，严重时会出现突水淹井事故。因此需要解决在大落差断层破碎带内施工永久性巷道的防治水、顶板控制和长期维护的技术难题。见图2。

1　巷道组过刘仙庄断层破碎带的围岩应力特征和破坏规律

为了确保安全高效施工，首先要开展断层带巷道附近巷道围岩应力预测工作。由于断层带岩石材料的分布与性质比较复杂，一般的力学解析计算无法实现，相似材料模拟也非常困难，根据现有资料和其它邻近矿过特大型断层经验，正常岩体中巷道垂直应力的特点是，在巷道帮部具有较大的纵向压力带，局部可达16 MPa以上，而在巷道的顶部和底部各出现了一个波及范围较大的垂直应力削减带，其中顶部可达到垂直压应力的消失，而底部则出现很大范围的0压应力带，甚至可能出现拉应力区。

断层带中垂直应力的分布总体上与正常地层中的一致。在巷道帮部也存在较大的垂直应力集中带，只不过集中程度减轻，集中范围扩大；而在顶部和底部也各存在一个压应力削减带，但波及范围更大一些。从应力等值线来分析，从正常岩体的“橄榄球”状变化为断层破碎带岩体的“柱状”，呈现出破碎围岩松散体的四周来压特征。

正常岩体中巷道水平应力的分布特点。在巷道帮部具有较大的水平压力降低带，局部可减少50%以上，而在巷道的圆弧顶的斜上方和巷道的墙角处，各有一对水平应力集中带，局部可达10 MPa以上；而在巷道的顶部和底部各出现了一个水平应力削减带，其中顶部和底部则出现很大范围的0压应力带，甚至可能出现拉应力。

与正常岩体相比较，断层带巷道围岩水平应力分布大致相似。但不同的是巷道帮部出现了较大范围的0压力带，影响到了巷道的周边，有可能全体出现拉应力；从水平应力等值线来分析，低应力等值线的波及范围更大，应力削减带的范围更广。

在不考虑支护的条件下，断层带巷道的顶板下沉是正常岩体的10倍以上，巷道底鼓是正常岩体的3倍以上；两帮移近量是正常岩体的4倍以上。这反映出在断层带内施工的巷道，围岩变形是非常严重的，在巷道施工与维护的过程中必须引起高度重视。

断层带巷道与正常岩体巷道的围岩塑性区的形状是相似的， 总体上呈现“蝴蝶型”。对比屈服区的大小， 断层带巷道的围岩塑性区是正常岩体的5-6倍。超大松动圈的存在，给支护方式的选择造成了不利的影响， 必须深入做好巷道支护设计工作， 并同时合理选择支护结构与参数。

在现场施工过程中如巷道帮部均具有较大的纵向压力带，巷道的顶部和底部也出现了一个波及范围较大的垂直应力削减带，甚至可能出现拉应力区；应力等值线从正常岩体的“橄榄球”状变化为断层破碎带岩体的“柱状”；在巷道帮部具有较大的水平压力降低带，巷道的圆弧顶的斜上方和巷道的墙角处，各有一对水平应力集中带，巷道的顶部和底部各出现了一个水平应力削减带等。

可以看出，围岩塑性区的形状与各施工巷道巷的情形是相似的，无论从塑性区形状和大小上均反映了该规律。但值得提出的是，巷道塑性区是相互独立的，没有出现“交会”现象。

2　巷道组过刘仙庄断层的工程实践

根据我矿巷道围岩的工程地质条件和巷道布置情况，参考断层带应力场的预测和巷道围岩应力和变形场的分析比较成果， 我矿一水平南十一采区巷道组过刘仙庄断层，巷道支护与施工的基本方法为:稳、准、快。

稳——即稳扎稳打，步步为营，各工序间环环相扣，协调统一；

准——即施工方法得当，安全优质；

快——即速度快，快挖、快护、快封闭。

为此，根据支护动态控制原理，提出断层带支护与施工的“早预报、超前探测、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤观测”围岩控制原则。

（１）早预报。根据具体的工程地质条件，选用直流电法、瞬变电磁法或地震等方法，对巷道前方断层的赋存状态和富含水等情况适时进行综合超前探测，得到了大量的前方断层构造准确位置及裂隙发育情况的资料，为巷道掘进的施工安全提供了可靠的地质资料和有效的技术参数。

（２）超前探测。在施工前，要采用钻孔勘探或物探等方法对断层的富水性和导水性等水文地质特征做出全面评价。若导水性差，应对局部出水的可能性做出预案。准备好排水泵、管路，并预先施工好排水沟；如出水严重，可以进一步考虑采取注浆堵水措施。

（３）短进尺。为减少开挖对围岩的扰动，避免坍塌，巷道每次开挖进尺控制在避免坍塌范围内(每循环进尺控制为1米以内)。在软弱围岩及断层破碎带施工时，若条件许可，尽量采用全断面方法施工；结合断层实际情况，不宜采用全断面开挖时，灵活地采用了半断面微台阶或上下断面顺序开挖法，有效地保证了巷道迎头的施工安全。

（４）弱爆破。遇断层地段时，为防止塌方，尽量采用风镐掘进。若必须采用爆破掘进时，采用微震爆破放小炮掘进，每循环进尺控制为1米以内；并且超前支护施工完毕并出完矸石后，再打下部眼，放炮采取分次放炮，先放拱基线以下各眼，然后放上部眼。严格控制炮眼的数量、深度及装药量，以尽量减少爆破对围岩的震动。

（５）强支护。强支护主要包括超前支护、及时支护、组合支护等三个方面。

①由于断层带岩层自稳时间短，必须做到随掘随支。

②由于断层带围岩压力大，断层泥持续流变时间长，采用锚喷、锚索、锚注和架棚等组合支护方式。

（６）快封闭。为各施工工序之间的距离应尽量缩短，初期支护应尽量靠近迎头，以减少岩层的暴露时间，并尽快使全断面封闭成环，采用锚索超前加固、锚喷全封闭式设计。

（７）勤观测。施工过程中应加大监控观察力度， 随时注意观察巷道内围岩的受力及变形情况， 检查支护结构是否发生了较大的变形， 混凝土喷层有无剥落等； 同时， 要加强对塌方地段的监控量测， 及时处理现场量测数据， 并将信息及时反馈到施工现场， 必要时对支护参数作相应调整， 以保证施工安全。

通过采用以上综合技术措施，保证大巷组安全、顺利地通过刘仙庄断层，不出现大范围冒顶。

３　主要结论

（１）通过断层带岩体内巷道与正常岩体巷道比较，有以下特点:顶部和底部也各存在一个垂直应力削减带，应力等值线为“柱状”，呈现出破碎围岩松散体的四周来压特征；巷道帮部出现了较大范围的0压力带或可能出现拉应力；顶板下沉是正常岩体的10倍以上，巷道底鼓是正常岩体的3倍以上；两帮移近量是正常岩体的4倍以上；塑性区是正常岩体的5-6倍。这些应力和位移特征会给支护方式的选择造成了不利的影响，必须深入做好巷道支护设计工作，并同时合理选择支护结构与参数。

（２）在施工工艺创新上，要形成断层破碎带巷道施工的“早预报、超前探测、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤观测”的断层带施工技术和综合保障体系，形成超前物探、超前加固、微震开挖、分步动态支护等综合配套技术。

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参考文献

［１］许兴亮,张农,徐基根,等.高地应力破碎软岩巷道过程控制原理与实践[J].安全工程学报,2007(1):51-55.

［２］郭军杰,韩春晓,涂兴子.煤巷掘进过断层方法[J].矿山压力与顶板管理,2004(2):39-40.

［３］刘天佑.地球物理勘探概论[M].地质出版社.

［４］赵雪松.山东省宁阳县大庙临邑地区煤层特征分析[J].科技视界,2013(31).

［责任编辑：杨玉洁］