郜陶陶

（山西高平科兴前和煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概况

前和煤业公司S1311 工作面回风顺槽北部为未回采区域，南邻已回采结束的S1309 工作面，西部为13 采区轨道下山，东部为边界保护煤柱。工作面标高+539.7～+575.9 m，主采3 号煤层，煤层倾角5°～10°，平均8°，煤层厚度3.98～6.64 m，平均5.65 m，工作面整体为一北西倾的单斜构造形态。工作面煤层顶底板岩层性质具体情况见表1。

S1311 回风顺槽在向前掘进186 m 时揭露箕F11 正断层，断层产状：77°∠71°，落差5.5 m。为掌握断层对巷道围岩应力的影响范围及分布规律，以制定科学合理的过断层方案，确保工作面安全顺利过断层，采取数值模拟的方法对巷道过断层前后应力变化情况进行模拟分析。

2 断层构造带巷道应力分布规律

2.1 模型构建

运用Mohr-Coulomb 架构模型，根据工作面顶底板煤岩层有关地质资料，依据S1311 回风顺槽实际煤岩层厚度建立巷道架构模型。分别将煤层走向、煤层倾向和巷道顶板方向设为X 轴、Y 轴和Z 轴，建立长度为100 m、宽度为45 m、高度为55 m 的巷道模型，如图1。以左侧巷道模型边界与巷道煤层交接点为原点，按照巷道掘进施工从左到右的方向标定X 轴，将断层设置在X 轴方向坐标45 m 位置处。为使模拟试验与现场实际情况更加相符，在模型顶板上方施加一个大小为18.12 MPa 的压力用来模拟真实巷道中巷道上覆岩层的自重力，将模型底部视作固定边界条件，在其左右两边施以水平约束条件。

表1 S1311 工作面煤层顶底板岩性情况表

图1 巷道模型示意图

2.2 巷道施工动态模拟分析

S1311 回风顺槽巷道施工断面为矩形，断面大小为4.2 m×3.5 m，采用锚网索联合支护，施工排距为0.8 m。模拟试验中，将巷道掘进方向设定为从左向右施工，将其施工过程按照动态进行划分。为了能够掌握巷道掘进施工过程中围岩应力变化分布情况及其与巷道所揭露的断层距离之间的关系，在模拟过程中，将巷道掘进施工前后巷道围岩应力变化分布情况分别进行详细记录。通过将记录的数据进行整理分析后，绘制巷道在未开始掘进时围岩应力变化曲线（如图2）和掘进时应力变化情况与距离断层之间的距离的变化曲线（如图3）。

图2 巷道未掘进时围岩应力分布

在图2 中，对巷道未开始掘进时巷道原始应力分布情况进行记录。从图中可知，在断层位置在X轴坐标45 m 处巷道应力达到最大值23.3 MPa，而在中心处两边的应力大小变化情况基本一致。由此可知，在巷道未施工前其所受到的围岩应力是以断层为中心向两边呈左右均匀对称分布的，应力值大小是由中心位置向两边逐渐递减的。由此可以说明巷道应力大小与距断层的距离成反比，且从距离断层25 m以外位置开始，应力变化基本处于平稳状态，说明该断层对巷道围岩应力的影响范围为距断层前后15～75 m 之间。

图3 巷道掘进时不同测点围岩应力变化曲线

在图3 中，对巷道掘进时在距离断层不同的位置监测的巷道应力大小变化情况进行对比分析。根据模拟，断层对巷道围岩应力的影响距离为30 m，据此从断层中心位置的左侧开始每间隔5 m 分别设置1 个测点，共计选取了4 个测点。根据图中测点数据变化分析可知，当测点不变时（以距断层左侧10 m 位置的测点为例），当掘进巷道位置距离断层30 m 时，巷道应力值为23.6 MPa，当掘进巷道位置与断层相距5 m 时，巷道应力值大小为27.8 MPa。据此可得知，在同一位置，当掘进面距离断层越近时，巷道的应力值越大。当距离断层的距离大小一定时（以距离断层位置5 m 为例），对4 个测点的应力值数据进行分析，根据监测的数据结果整理分析可知，距离断层位置越近的测点其应力值越大，且距离断层位置越近，巷道应力值增长越大。

3 巷道过断层施工方法

根据以上模拟分析可知，巷道掘进时受断层影响范围在30 m 左右，且掘进面距离断层越近，其受到的应力越集中。根据前述地质资料可知，S1311 回风顺槽掘进时揭露的箕F11 断层产状为77°∠71°，落差为5.5 m。在巷道掘进过断层时，采取的方法主要有后退挑顶法、后退卧底法和直接通过的方法[1]。后退挑顶法主要适用于掘进面在断层上盘中施工，后退卧底法主要适用于掘进面在断层下盘中施工，直接通过法主要适用于断层落差较小、顶板较为完整易于支护的地点[2-4]。本文中S1311 回风顺槽在断层上盘中掘进施工，且揭露的断层落差较大，因此选择后退挑顶的方法过断层比较合适。

3.1 后退挑顶过断层方案

后退挑顶法是在掘进施工揭露断层时，根据超前探查的地质资料分析出巷道即将进入断层上盘时，提前利用断层及掘进巷道的相关资料和计算公式计算出巷道需要挑顶起坡的高度及挑顶开口的位置，使巷道掘进至断层位置时巷道的顶部恰好能够与断层面下盘的煤层顶板处于同一位置。巷道后退挑顶法过断层施工示意图如图4。

图4 巷道后退挑顶法过断层施工示意图

3.2 挑顶后退距离计算

根据三角函数公式可以计算出挑顶后退距离：

式中：S 为巷道后退挑顶距离，m；h 为断层落差高度，m；θ 为巷道上山掘进挑顶施工坡度，取10°。

将h=5.5 m 代入公式（1）得出S=31.4 m，即以10°的坡度上坡施工时，需在距离断层31.4 m 位置开始挑顶施工。

3.3 过断层巷道支护方案

因断层带区域巷道顶板破碎、应力较为集中，巷道掘进过程中，支护较为困难，为保证施工安全，需选择合适的支护方案。根据巷道模拟结果，选择对断层影响前后30 m 范围的巷道采用锚（杆）索联合支护和壁后注浆加固的方式进行加强支护[4]。

采用的锚杆为Φ22 mm×2400 mm 左旋无纵筋锚杆，采用的锚固剂型号为Z2350 和K2350。锚杆布置：顶部布置6 根锚杆，锚杆间排距均为800 mm；帮部布置5 根锚杆，锚杆间排距为800 mm×800 mm。锚杆预紧力矩不低于260 N·m，煤体中锚杆预紧力矩不低于200 N·m。锚索布置：巷道顶部锚索呈“3-3”布置，间排距1600 mm×800 mm，锚索采用Ф18.9 mm×7200 mm 钢绞线，锚索预紧力不低于100 kN。巷道支护示意图如图5。

图5 巷道掘进支护示意图

为加强巷道支护效果，对断层影响前后30 m范围内的巷道进行注浆加固。注浆采用425#标号普通硅酸盐水泥，水灰比为1:0.7，选用ZBQ-50/6 型气动注浆泵进行注浆，注浆孔深度50 mm，呈上下双排孔布置。

3.4 巷道支护模拟及应用效果分析

为检验上述支护方案的有效性，对该巷道支护方案进行了数值模拟验证。通过验证结果显示，应用该方案后，巷道围岩位移大小变化量明显降低。为验证该支护设计方案在实际应用中所产生的效果，在该段巷道掘进施工完成后对其进行了巷道围岩变形观测，并将观测的数据进行收集整理分析，最后得到了如图6 所示的巷道围岩变形曲线图。

图6 巷道围岩变形曲线图

由图6 中可以分析得知，巷道掘进施工结束后前10 d，巷道围岩变形量最大，在10～40 d 内，巷道围岩变形量逐渐趋缓，在40 d 以后，巷道围岩变形量基本达到稳定状态。其中巷道顶板下沉量保持在78 mm，底板底鼓量保持在85 mm，实体煤帮帮部位移量稳定在70 mm，煤柱帮帮部位移量稳定在98 mm。

4 结论

（1）通过运用数值模拟的方式对S1311 回风顺槽掘进工作面巷道过断层应力变化情况进行模拟分析，得知断层对掘进巷道应力的影响范围在30 m左右，且随着掘进面与断层的距离越近，巷道的应力越大且递增值也逐渐增大。

（2）通过模拟计算分析，S1311 回风顺槽掘进工作面巷道过断层时，在距离断层31.4 m 位置时提前按照+10°坡度进行挑顶施工，可以使巷道掘进至断层位置时巷道的顶部恰好能够与断层面下盘的煤层顶板处于同一位置，保证顺利过断层。

（3）在过断层施工过程中，采用锚（杆）索联合支护和壁后注浆加固的方式对巷道进行加强支护。经过模拟及实测发现，此种支护设计方案能够达到支护要求，巷道变形量在允许范围内，能够保证掘进工作面安全顺利通过箕F11 断层。