近断层巷道非对称大变形机理与控制技术研究

《Processes》：Study on the Mechanism and Control Technology of Asymmetric Large Deformation in Near-Fault Roadways

　　

摘要：针对断层构造应力与开挖扰动共同影响下采动巷道出现非对称大变形的技术难题，以平岗煤矿东二采区14#煤层左一工作面回风巷为工程背景，通过现场监测、理论分析、数值模拟和现场实践相结合的方法，开展了近断层巷道变形机理与控制技术研究。结果表明：在断层构造应力和开挖扰动叠加作用下，围岩呈现断层侧帮>顶板>底板>采动侧帮的非对称变形特征，顶底板移近量峰值为991 mm，两帮移近量峰值为968 mm；近断层巷道临界失稳范围与围岩地质强度指数（GSI）呈非线性负相关，与扰动因子（D）呈非线性正相关，该巷道临界失稳范围为3.44 m；采掘期间煤柱应力与变形峰值集中在距离侧帮0~4 m范围；煤柱宽度与应力峰值呈线性负相关，与变形峰值呈非线性负相关；当煤柱宽度大于16 m时，断层与采动应力叠加效应减弱，围岩变形趋于稳定。基于变形机理，提出了“煤柱尺寸优化+围岩注浆改性+高强锚索强化”控制方案，优化煤柱宽度为16 m，采用注浆加固，并增设长短锚索形成高强主动支护体系。现场实践表明，该方案应用后，巷道两帮移近量和顶底板移近量较原支护分别降低82.4%和84.5%；回采期间两帮移近量为397 mm，顶底板移近量为484 mm，实现了巷道安全稳定运行与工作面高效开采。研究成果为典型近断层巷道非对称大变形控制提供了理论依据和工程借鉴。

**论文解读：近断层巷道非对称大变形机理与控制技术**

**研究背景与问题**

地下煤矿开采中，断层破碎带是普遍存在的构造隐患。与未受扰动地层相比，断层破碎带的存在会劣化邻近煤岩体的地质力学完整性，诱发严重的构造应力集中和局部应力场扰动。为减轻构造应力对巷道稳定性和工作面回采安全的不利影响，通常以断层为自然边界划分采区，并在断层影响区内留设隔离煤柱，以阻止采动应力向断层面的传播。然而，在掘进和回采的双重采动扰动下，断层带极易发生活化。这种构造滑移从根本上改变了围岩应力分布和破裂演化进程，同时产生超前支承压力与构造应力场之间的严重应力叠加效应。最终，常规巷道支护能力不足会引发系统性的锚固失效，诱导剧烈的岩体失稳，包括冒顶和片帮。这种严重的不对称闭合对煤矿地下开采的安全和生产率构成重大威胁。

尽管已有大量研究探讨了近断层巷道围岩稳定性机理和非对称变形控制问题，但过往工作鲜少涉及采动和构造载荷叠加的复杂耦合力学机制。普遍关注单一应力场和标准对称支护的研究思路，不足以控制由构造和采掘联合扰动引发的严重围岩位移。因此，分析标准地质条件下巷道的非对称破坏模式至关重要。基于平岗煤矿14#煤层回风巷，本研究综合运用多方法逻辑框架——解析公式、计算模型和现场实践——来确定近断层塑性边界和非对称破坏行为。随后提出并成功现场验证了基于“煤柱尺寸优化+围岩注浆改性+高强锚索强化”的综合对策。本研究对断层-采动耦合力学机制及其导致的巷道非对称畸变进行了数学和数值参数化。这些机理研究成果为在相邻断层影响采矿布局中推进标准地层控制策略提供了关键的实践蓝图。

**研究内容与方法**

研究人员以平岗煤矿东二采区14#煤层左一工作面回风巷为工程背景，该巷道受F22断层构造应力与采掘扰动叠加影响，呈现非对称大变形特征。研究采用现场监测、理论分析、数值模拟与现场实践相结合的方法。主要关键技术方法包括：

1. **现场监测**：沿巷道轴线每10 m布设围岩变形监测站，对变形进行45天连续监测，获取原始支护下的变形数据。
2. **理论分析**：基于围岩塑性区临界极限应力状态，建立近断层巷道临界失稳范围的力学模型，推导出涉及地质强度指数（GSI）、扰动因子（D）、围岩单轴抗压强度（σ_c）等参数的解析关系式，并采用单变量法分析GSI和D对临界失稳范围的影响规律。
3. **数值模拟**：采用FLAC^3D建立三维数值模型（尺寸200 m × 400 m × 70 m，含2,051,083个单元和360,675个节点），模拟近断层巷道掘进和回采过程中的应力演化与位移变形规律。研究设置了不同煤柱宽度（10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m）方案，分析煤柱尺寸效应。
4. **现场工业试验**：在优化后的支护方案实施后，布设三个典型位移监测站（距停采线50 m、180 m、210 m），进行60天动态监测，验证支护效果。

**研究结果**

**3. 近断层巷道临界失稳范围分析**

- 基于围岩地质强度指数（GSI）与扰动因子（D）的影响分析得出：当GSI在50~70范围内时，其与临界失稳范围呈非线性负相关（GSI从50增至70，临界失稳范围从3.40 m降至0.25 m）；当D在0.15~0.75范围内时，其与临界失稳范围呈非线性正相关（D从0.15增至0.75，临界失稳范围从0.38 m增至2.33 m）。结合现场地质条件与室内岩石力学实验参数（l=2.35 m, σ_c=10 MPa, P=20 MPa, m_i=2, GSI=60, D=0.5），经公式计算得出该巷道临界失稳范围R=3.44 m。

**4. 近断层巷道非对称变形数值模拟分析**

- **4.1 数值模型建立与模拟方案**：基于平岗煤矿地质条件，采用FLAC^3D建立模型，包含9层岩层（6层顶板、2层底板、1层煤层），断层采用等效软弱夹层建模。设计6条监测线（1条垂直、5条水平）监测煤柱稳定性。
- **4.2 掘进期间近断层巷道煤柱稳定性分析**：掘进后，煤柱内部应力呈先增后减分布，峰值应力19.99 MPa出现在距右侧帮4.3 m处；位移呈现单调递减特征，侧帮表层位移达最大值80 mm。应力集中与断层构造应力叠加形成应力升高区。
- **4.3 回采影响下近断层巷道煤柱稳定性分析**：随工作面推进（28 m至348 m），煤柱内部应力峰值从24 MPa增至40~43 MPa，始终稳定分布在距侧帮0~4 m范围内；变形峰值从0.07 m增至0.4 m，同样集中在0~4 m浅部区域。
- **4.4 近断层巷道煤柱尺寸效应分析**：设置6组煤柱宽度方案。应力峰值与煤柱宽度呈线性负相关（σ_max = -0.502b + 52.571, R2=0.996）；变形峰值与煤柱宽度呈非线性负相关（s_max = 35.079e^(-b/1.808) + 0.568, R2=0.995）。结合蝶形应力场分布规律，当煤柱宽度为16 m时，蝶形应力场右翼与断层影响区分离，应力叠加效应减弱；宽度大于16 m时应力分布趋于稳定。综合考虑稳定性和资源回收率，优化煤柱宽度为16 m。
- **4.5 近断层巷道非对称变形机理**：总结得出，断层破碎带节理裂隙发育导致岩体力学性能劣化，采掘扰动与构造应力叠加降低围岩整体承载能力；原对称支护系统在构造-采动应力叠加下锚固基础失效，无法形成有效共同承载结构，最终导致断层侧帮和顶板变形远大于底板和采动侧帮，呈现非对称破坏特征。

**5. 近断层巷道非对称变形控制方案**

提出“煤柱尺寸优化+围岩注浆改性+高强锚索强化”的联合支护方案。煤柱宽度优化至16 m。围岩注浆采用高水注浆材料，水灰比1:1，分阶段控制注浆压力（初始0.5~1.0 MPa，中期1.5~2.0 MPa，终压2.0~3.0 MPa），注浆孔直径42 mm，排距1600 mm，有效扩散半径不小于2.5 m。高强锚索强化在断层侧帮布置长短锚索组合（长锚索φ21.8 mm×L6700 mm，短锚索φ21.8 mm×L5200 mm），形成深浅协同支护体系，短锚索锚固临界失稳范围（3.44 m）内的浅部破裂区，长锚索伸入深部实现悬吊加固。

**6. 现场工业试验**

现场监测显示，应用强化支护方案后，掘进期间两帮移近量峰值为170 mm，顶底板移近量峰值为154 mm，较原支护分别降低82.4%和84.5%。回采期间，监测站3（距停采线210 m）在距工作面前方0 m处达到最大变形，两帮移近量397 mm，顶底板移近量484 mm。巷道成型完整，未出现顶板破碎、片帮、锚杆锚索脱锚失效等现象。

**讨论与结论**

**讨论**：当前研究结果仅适用于平岗煤矿特定地质与开采技术条件。若推广至其他矿井，需基于目标矿井工程地质条件进行针对性修正。此外，现场监测主要集中于巷道表面变形，受井下施工条件限制，未能开展围岩深部位移、锚索轴力、钻孔窥视及围岩内部应力测试等工作，因此无法定量分析深部离层、锚固系统失效及注浆裂隙充填等详细特征。

**结论**（翻译原文结论）：

(1) 平岗煤矿东二采区14#煤层左一工作面回风巷受F22断层构造应力与采掘扰动叠加影响，呈现非对称大变形特征，变形程度为断层侧帮 > 顶板 > 底板 > 采动侧帮。

(2) 回风巷临界失稳范围与围岩地质强度指数GSI（50~70）呈非线性负相关，与扰动因子D（0.15~0.75）呈非线性正相关。基于工程计算，确定该巷道临界失稳范围为3.44 m。

(3) 掘进期间，受断层构造应力与采动应力共同作用，煤柱应力与位移峰值出现在距右侧帮0~4 m范围内。煤柱宽度对近断层巷道稳定性影响显著，当煤柱宽度为16 m时，可同时保证巷道稳定性与资源利用率。

(4) 提出了回风巷非对称变形控制方案，包括“煤柱尺寸优化+围岩注浆改性+高强锚索强化”。现场监测结果表明，掘进期间两帮移近量和顶底板移近量显著降低；回采期间，巷道监测站3的围岩变形达到最大。