煤矿断层破碎带锚注联合支护技术的围岩加固效应及工程实践

引言

随着深部资源开采与地下工程建设的快速发展，断层破碎带突水灾害已成为威胁工程安全的关键地质问题。受构造应力与地下水长期耦合作用，断层破碎带往往具有显著的非均质性、渗透各向异性及渗流-应力动态响应特征，其变质量渗流过程与突水灾变机制呈现高度复杂性。传统理论模型多基于稳态渗流假设，难以准确刻画破碎岩体渗流参数动态演化及其对突水通道形成的控制作用。

1、井工煤矿断层类型及特征分析

正断层是断层上盘相对下盘向下滑动形成的断层类型，断层面多呈阶梯状，倾角较大，一般在45～70°之间。正断层常伴有张扭性质，断层泥较少，多呈角砾状，透水性强。受构造应力作用，断层带围岩破碎，节理裂隙发育，稳定性差，易导致片帮、冒顶。同时，由于断层面倾角陡，断距大，巷道穿层后围岩性质、地应力分布等发生剧烈变化，引发局部应力集中，加剧巷道变形。正确识别并处置正断层对实现巷道快速掘进至关重要。走向断层指断层面近似与地层走向平行或呈小角度相交的断层，断层面多呈陡倾斜状态，倾角一般大于60°，局部可达到近直立。走向断层常切割煤层，使地层产状、岩性分布、构造应力场等发生显著变化，影响巷道围岩稳定性。逆断层指断层上盘相对下盘向上滑动形成的断层类型，断层面倾角较缓，一般在15～45°之间。与正断层相比，逆断层具有剪压性质，断层泥较多，多呈片状、鳞片状，透水性较弱。然而，逆断层带常发育有褶皱构造和断层次生断裂，围岩破碎严重，呈碎裂岩夹角砾岩状，完整性和自稳能力极差。巷道穿越逆断层带时，极易发生片帮、垮塌、冒顶、底鼓，危及掘进工作面安全。此外，逆断层常伴生有挤压褶皱及次生反向断层，使断层带岩层产状、岩性分布错综复杂，导致应力场分布极不均匀，局部高应力集中，引发巷道变形失稳。由于走向断层常伴有挤压或张扭作用，断层泥不发育，断层带以角砾状构造为主，透水性强、富水性大，极易导致巷道突水、涌水。同时，受构造应力作用，断层带岩体破碎，节理裂隙密集，完整性差，容易引发顶板事故，严重威胁掘进工作面安全。此外，由于走向断层面倾角陡，与巷道正交时，极易形成应力集中，诱发巷道变形失稳[1]。

2、煤矿断层破碎带锚注联合支护技术的围岩加固效应及工程实践分析

该煤矿 10201 工作面位于矿井二采区北部，北邻井田边界煤柱，南至未开采的实体煤，西接胶带上山，东至井田边界煤柱。10201 胶带顺槽 ⁹⁺ 10"煤层位于 K₂J₁ ,石灰岩之下、太原组下部，纯煤厚 5.33m ，夹研厚 0.28m，煤层总体属于单斜状，煤层倾角为 20-80^[2] 。

2.1、巷道掘进支护设计

考虑到掘进过程中设备尺寸以及巷道围岩变形预留量，根据设备安装、管路敷设及通风要求，得出的断面参数如下:胶带输送机北帮检修道宽 0.7m，胶带输送机宽 1.3m ，胶带输送机与轨道间人行道宽 0.8m ，轨道宽 1.4m，轨道距南帮 1.0m010201 胶带顺槽为矩形断面，拓宽段 (0-60m) 断面尺寸为 6200mm3000mm ;掘进正常段 (60-933m) )断面尺寸为 5200mm300 0mm ;材料铜室断面尺寸为 6700mm3000mm 。开口处顶板打 1 排锚索加强支护，锚索间距为 1000mm ，0 到 80m 顶板与帮部采用螺纹钢锚杆 + 钢筋网片+钢带 + 锚索 + 喷浆联合支护形式， 80m 以后顶板采用螺纹钢锚杆+铁丝菱形编织网 +i 钢带+锚索联合支护形式，煤柱帮采用螺纹钢锚杆+铁丝菱形编织网+钢护板支护形式，回采帮采用螺纹钢锚杆+尼龙网 + 钢护板支护形式。施工中根据工程所处围岩情况及时调整支护参数以确保安全。施工过程中，当遇到断层破碎带、地应力异常区时，必须及时制定专项安全技术措施，采取加密锚杆、补打锚索等措施加强支护[3]。

2.2、采场支护技术

采场支护技术主要是指通过合理选用支护措施，加强对采场周围岩层的支护，提高煤矿采场的稳定性和安全性。常用的采场支护技术包括设置支柱、采空区加固、岩层注浆、锚杆支护等。采场支护技术的实施需配合严格的采场管理。在采场规划阶段，需考虑地质构造对煤层的控制作用，合理设计采场走向和布局，避开地质构造影响较大的区域。在采场布局过程中，需根据地质构造特点确定合适的支护方式和材料，加强采场支护工作，确保采场的稳定性和安全性。在采场开采过程中，需定期对采场进行监测和检查，及时发现和处理地质构造带来的变形或裂隙。在加强采场支护技术和管理的同时，也需要加强对采矿工程师和矿工的培训，提高他们对采场支护作业的认识和技能，确保支护质量和效果[4]。

2.3、穿断层岩机数据变化分析

在滚刀接触岩体后，总推进力急剧升高，刀具下方岩体产生破碎区，但是此时破碎区岩体所聚集的应变能多为滚刀垂直压剪作用所引起。滚刀此时还未贯入岩体，沿岩面滚动所受阻力小，刀盘扭矩维持在空推扭矩值附近。在总推进力上升到阈值时，滚刀下方中央裂纹扩展，并产生径向裂纹，滚刀侵入岩体。随着岩体破碎程度增加，造成刀具脱空，总推进力有小幅度下降后维持在某一值附近。此时，切割槽已经形成，滚刀滚动受阻，刀盘扭矩急剧上升。相邻滚刀下方裂纹完全贯通后，在推力和扭矩共同作用下岩石成碎片剥落，滚刀不断向前侵入、剥落。此时总推进力稳定在某一值上下浮动。随着 TBM 对巷道破碎围岩条件的不断适应，TBM 以稳定的推进速度和保前盾压力进入第4 部分，但是，在 86.6cm 处推进速度和贯入度开始下降，护盾前移所需要的推力逐渐小于破碎围岩与护盾之间的摩擦力，TBM 护盾被卡。从 95cm 处开始，推进速度、刀盘扭矩和刀盘转速分别维持在某一固定值附近变化，推进压力呈现下降趋势，总推进力在小幅度上升后保持稳定，此时，TBM 刀盘不再向前掘进，开展清渣和处理护盾上方破碎岩体[5]。

结束语

总而言之，井工煤矿掘进巷道快速过断层技术是涉及地质、机械、工艺和支护等多学科交叉融合的复杂系统工程。断层、褶皱、陷落柱等地质构造对工作面巷道掘进产生的影响相对较大，如何确保巷道通过这些地质构造时巷道整体稳定，是当前很多煤矿企业需要深度研究的问题。在具体支护设计时，需要综合考虑技术、经济等方面的因素，统筹考虑各个支护技术要点，以提高巷道支护的稳定性。

参考文献：

[1]范铭今,陈军涛,古海龙,等.西部矿区可注断层破碎带注浆加固特性试 验研究[J].煤矿安全,2025,56(01):155-163.DOI:10.13347/j.cnki.mkaq.2024050 1.

[2]李连刚,涂磊,解建,等.地面定向钻孔预注浆掩护巷道穿断层破碎带技 术应用[J].建井技术,2024,45(05):45-50.DOI:10.19458/j.cnki.cn11-2456/td.202 4.05.008.

[3]刘庭,支帅.综采工作面过断层破碎带围岩控制技术研究及应用[J].煤炭科技,2024,42(09):43-46+51.

[4]冉霞.深部过断层巷道围岩变形特征及支护技术研究[J].能源与环保,2024,46(09):241-245.DOI:10.19389/j.cnki.1003-0506.2024.09.039.

[5]李伟.掘进巷道过断层破碎带支护实践研究[J].山西化工,2024,44(08):202-203+209.DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2024.08.069.