断层构造带下煤矿掘进变形特征与控制研究

引言

煤炭是中国经济发展和社会进步的基础能源和重要工业原料 , 在一次能源结构中仍将长期处于主体地位。 随着采掘深度的延伸和开采强度的增加 , 煤层的地质赋存条件和围岩应力场更加复杂。其中，断层区域复杂的地质条件，致使巷道掘进变形失稳事故频发，严重威胁煤矿安全生产与资源高效开发。现有研究虽对断层带巷道变形有所探讨，但在多因素耦合作用机制解析、精准探测与智能控制技术集成方面仍存在不足。因此，深入研究断层构造带下煤矿掘进变形特征，探索高效控制方法，对突破深部开采技术瓶颈、保障煤矿安全高效生产具有重要的理论意义与工程价值。

一、影响煤矿掘进在断层构造带变形的因素

1.1 地质结构复杂性的影响

断层构造带内，岩层完整性遭受严重破坏，岩石破碎、裂隙发育，形成松散破碎的地质体。这种复杂地质结构导致围岩自稳能力显著降低，在掘进扰动下极易发生变形和垮塌。以某煤矿为例，其巷道穿越的断层区域，岩石破碎程度高，节理裂隙纵横交错，掘进过程中，顶帮围岩失稳现象频繁出现，给巷道支护带来巨大挑战。此外，断层带内往往存在多种岩性的混杂，不同岩性的力学性质差异大，在应力作用下，变形不协调，进一步加剧了巷道变形的复杂性。

1.2 地应力分布异常的作用

断层构造的存在改变了原岩应力场的分布状态，形成应力集中和应力释放区域。在断层附近，水平应力和垂直应力重新分布，应力值大小和方向均发生变化。当掘进巷道处于应力集中区域时，围岩承受的应力远超正常水平，容易引发巷道大变形。某煤矿在掘进过程中，因巷道靠近断层，监测到的应力值较正常区域高出 30%-50% ，致使巷道顶底板移近量和两帮收敛量大幅增加，严重影响巷道的稳定性和正常使用。应力分布异常还会导致巷道支护结构受力不均，降低支护效果。

1.3 地下水活动的影响

断层构造带通常是地下水运移的良好通道，地下水在断层带内富集和流动。地下水的存在会弱化岩石的力学性质，使岩石的强度和弹性模量降低，增加岩石的塑性变形能力。同时，地下水的流动会对围岩产生动水压力，进一步破坏围岩的稳定性。在某煤矿断层区域，由于地下水丰富，巷道掘进后，围岩因长期受水浸泡，泥岩软化，导致巷道底鼓、两帮挤出变形严重。此外，地下水还可能引发支护材料的腐蚀，降低支护结构的承载能力，加剧巷道变形。

二、断层构造带下煤矿掘进变形控制方法

2.1 优化掘进工艺减少扰动

从理论层面剖析，掘进工艺对断层构造带围岩稳定性影响深远。传统掘进方式往往因强大的机械冲击力和不合理的掘进参数，致使围岩松动圈大幅扩展，加剧巷道变形风险。而优化掘进工艺，需综合考量断层带的岩性、结构面特征等因素。在设备选型上，优先选用具备智能调速、精准截割功能的掘进机，如悬臂式掘进机搭配振动监测系统，可实时感知掘进过程中的振动强度，动态调整截割速度和截齿角度，减少对围岩的扰动。掘进顺序方面，采用“短进尺、多循环”策略，将单次掘进进尺控制在 1 - 1.5 米，避免因掘进长度过长导致围岩悬空面积过大。同时，引入预留核心土、超前小导管预支护等辅助工艺，在掘进前对前方围岩进行加固，形成临时稳定结构，为后续支护争取时间。

以某煤矿深部巷道穿越 F3 断层为例，该断层破碎带宽达 8 米，岩石松散且富含裂隙水。传统全断面掘进时，每日掘进量虽可达 3 米，但巷道顶底板最大移近量超 800mm ，两帮收敛量突破 500mm ，支护结构频繁失效。后改用优化工艺，采用 EBZ260H 型智能掘进机，配合预留核心土环形开挖法，将掘进速度控制在每循环 1.2 米，每完成一个循环立即进行初喷混凝土支护。实施后，巷道顶底板移近量日均增长控制在 80mm 以内，两帮收敛量稳定在 60mm 左右，成功将围岩变形控制在安全范围内，保障了掘进工作顺利推进。

2.2 创新支护技术增强稳定性

创新支护技术的核心在于构建与断层构造带围岩力学特性相适配的支护体系。基于围岩变形规律，主动支护与被动支护协同作用的理念成为关键。主动支护方面，新型超高强预应力锚杆、锚索技术不断发展，其材质强度可达1860MPa 以上，通过高预紧力施加，可在围岩内部形成压应力拱，增强围岩自身承载能力。被动支护则采用可缩性 U 型钢支架、混凝土喷射支护等，其中可缩性 U 型钢支架通过独特的搭接结构和卡缆设计，能够在围岩变形时产生可控缩动，既限制围岩过度变形，又避免因刚性支护导致应力集中。此外，注浆加固技术与锚杆锚索支护相结合，利用水泥 - 水玻璃双液浆对破碎围岩进行渗透加固，改善围岩力学性能，形成“围岩 - 注浆体 - 支护结构”一体化

承载体系。

某矿 1310 工作面运输巷穿越正断层时，采用“超高强预应力锚杆 + 注浆锚索 + 双层可缩性 U 型钢支架”联合支护方案。在巷道开挖后，先施工预应力锚杆，施加 200kN 预紧力，随后进行浅孔注浆加固，注浆压力控制在 2- 3MPa，形成 3 米厚的加固圈。紧接着架设双层 U 型钢支架，层间设置缓冲木垫板，增强支架可缩性。实施该支护方案后，经过两个月的监测，巷道顶底板最大移近量仅为 120mm ，两帮收敛量控制在 105mm，较原支护方案变形量减少 65% 以上，有效保障了巷道在服务周期内的稳定性。

2.3 强化地质探测与动态调控

精准的地质探测是实现断层构造带巷道变形有效控制的关键支撑。现代地质探测技术集成了地球物理、钻探等多种手段，形成多维度、高精度的探测体系。三维地震勘探技术能够以米级精度揭示断层的空间展布形态、落差及破碎带范围；电磁波 CT 探测则可清晰呈现围岩的电阻率分布特征，识别含水异常区域；超前钻探通过取芯分析，能直观获取岩石力学参数和裂隙发育情况。通过多源数据融合分析，建立断层构造带地质模型，为掘进和支护方案设计提供准确依据。在施工过程中，利用 TSP 超前地质预报系统、地质雷达等设备进行实时监测，根据探测结果动态调整施工参数和支护方案，实现“探测 - 设计 - 施工 - 反馈”的闭环管理。

某煤矿主运输大巷掘进过程中，前期通过三维地震勘探发现前方存在隐伏断层，但具体参数不明。施工中采用 TSP203 超前地质预报系统，每掘进 30米进行一次探测，结合地质雷达对重点区域加密扫描。当探测到距断层 50 米时，提前调整掘进工艺，降低掘进速度至 0.8 米 / 循环，并加强超前支护。随着接近断层，根据实时探测数据，将原设计的普通锚杆支护改为加长至 3.5米的中空注浆锚杆，同时增加钢拱架密度。最终，巷道安全通过断层区域，顶底板最大移近量仅为 150mm，两帮收敛量 130mm ，未发生大规模冒顶、片帮事故，验证了强化地质探测与动态调控技术在复杂断层构造带掘进中的有效性。

三、结语

论文系统研究了断层构造带下煤矿掘进变形的影响因素与控制方法。明确地质、地应力及地下水等因素对巷道变形的作用机理，通过优化掘进工艺、创新支护技术与强化地质探测动态调控，形成一套完整的控制体系。实际工程应用验证了该体系的有效性，显著降低了巷道变形量，提升了巷道稳定性。然而，随着开采深度的进一步增加，复杂地质条件下的巷道变形控制仍面临新挑战，未来需进一步深化多场耦合作用下的变形机理研究，加强智能化、精细化控制技术研发与应用。

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