特厚煤層大斷面煤巷過密集斷層群支護技術(shù)

姜鵬飛，蔡 海，劉躍東，郭慧軍，李吉世

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013；3.大同煤礦集團有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

特厚煤層大斷面煤巷過密集斷層群支護技術(shù)

姜鵬飛1,2，蔡 海3，劉躍東1,2，郭慧軍3，李吉世3

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計研究分院，北京 100013；3.大同煤礦集團有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

以大同馬道頭煤礦20m特厚煤層大斷面煤巷過密集斷層群支護為背景，井下超前探測了密集斷層群及富水區(qū)域分布特征，現(xiàn)場實測得出巷道頂板煤巖體強度和結(jié)構(gòu)分布規(guī)律，數(shù)值模擬研究了全煤巷道錨桿支護預(yù)應(yīng)力擴散特征；提出了特厚煤層大斷面煤巷過密集斷層群巷道動態(tài)支護設(shè)計，即提高錨桿的錨固力和支護密度，在保證錨固力的前提下適當(dāng)增加預(yù)緊力，且根據(jù)頂煤厚度變化確定錨索長度，提高對巷道圍巖的控制效果?，F(xiàn)場應(yīng)用后，巷道穩(wěn)定后頂?shù)装逡平?5mm，兩幫移近102mm，未發(fā)生頂板垮落、突水等事故，保證了巷道安全。

特厚煤層；大斷面煤巷；密集斷層群；預(yù)緊力

山西大同礦區(qū)是我國典型的特厚煤層開采礦區(qū)，其下屬塔山、同忻、麻家梁、馬道頭等多個千萬噸礦井煤層厚度均大于8m，屬于特厚煤層開采，尤其是馬道頭煤礦，其煤層平均厚度超過20m，最厚達(dá)到26m，采用大采高綜放開采。為滿足特厚煤層大采高綜放開采設(shè)備運輸和工作面通風(fēng)的需求，巷道斷面普遍較大，一般都在5.5m以上。巷道通常沿煤層底板掘進，巷道頂部、兩幫均為煤體。與巖層相比，煤層強度較低，進而導(dǎo)致巷道掘進擾動和大采高綜放開采強烈采動影響后，巷道圍巖發(fā)生強烈的擴容變形[1]。同時由于煤礦井下地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在特厚煤層大斷面煤巷掘進時，經(jīng)常會遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造，極易誘發(fā)頂板垮落，在含水巖層條件下，斷層還可能導(dǎo)通頂板含水層，誘發(fā)突水等災(zāi)害。

對于特厚煤層全煤巷道支護技術(shù)的研究，目前已有較多研究成果。巷道掘進后引起應(yīng)力重分布，水平應(yīng)力重分布形成頂煤新的載荷，垂直應(yīng)力重分布引起兩幫應(yīng)力集中[2-3]。INDRARATNA B等[4]采用模擬試驗，研究了全煤巷道全長錨固錨桿與圍巖的相互作用機理；康紅普等[5-6]提出預(yù)應(yīng)力是煤巷錨桿支護的關(guān)鍵參數(shù)，認(rèn)為對于特厚煤層大斷面煤巷，錨桿支護的本質(zhì)是控制巷道圍巖的不連續(xù)、不協(xié)調(diào)擴容變形，并據(jù)此提出了特厚煤層大斷面煤巷高預(yù)應(yīng)力錨桿一次支護技術(shù)[7]；王金華[8]采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件計算分析了頂煤厚度、巷道布置位置、高寬比、地應(yīng)力大小、錨桿錨索預(yù)緊力等對巷道圍巖受力變形特征的影響規(guī)律；姜鵬飛[9]研究了麻家梁煤礦特厚煤層強采動巷道圍巖綜合應(yīng)力場演化規(guī)律，提出了多次動壓影響下大斷面煤巷圍巖控制技術(shù)；張百勝等[10]分析了大斷面煤巷層狀頂板離層及變形破壞規(guī)律；張成文等[11]研究了深部高應(yīng)力煤巷支護技術(shù)，提出了合理的支護形式與參數(shù)；張鎮(zhèn)等[12]研究了煤巷錨桿-錨索支護預(yù)應(yīng)力協(xié)調(diào)作用機制，得出了不同錨桿(索)預(yù)緊力組合下圍巖中應(yīng)力場的分布特征。

在巷道過斷層理論與技術(shù)研究方面，劉泉聲等[13]利用地面注漿技術(shù)對巷道穿越斷層及破碎帶區(qū)域的局部巖體進行注漿加固，揭示了巷道掘進和服務(wù)期間圍巖穩(wěn)定性變化規(guī)律[14]；孟召平等[15]通過對正斷層周圍煤巖體裂隙觀測及物理力學(xué)性質(zhì)測試，結(jié)合數(shù)值模擬，揭示了正斷層對煤物理力學(xué)性質(zhì)和礦壓規(guī)律的影響；孟慶彬等[16]揭示了巷道掘進前方地層中的斷層與含水特性，確立了巷道過斷層的合理位置，提出了采用地面與工作面預(yù)注漿等技術(shù)提高巷道過斷層區(qū)域圍巖的完整性與強度，保證了巷道掘進過程中圍巖的基本穩(wěn)定與施工安全；王濤等[17]開展了過斷層工作面開采物理模型試驗，得出了采動條件下斷層附近應(yīng)力演化規(guī)律和斷層滑移瞬態(tài)過程中的應(yīng)力動態(tài)響應(yīng)規(guī)律；李智鵬[18]針對大同四老溝煤礦巷道掘進過密集斷層群，提出了6m 范圍內(nèi)采取打設(shè)鋼針、掘進迎頭5m 范圍注漿加固的技術(shù)，結(jié)合架設(shè)工字鋼棚的復(fù)合支護技術(shù)。

綜上，對全煤巷道錨桿支護和巷道過斷層技術(shù)研究方面取得了一定的研究成果，本文將在上述成果基礎(chǔ)上，針對大同馬道頭煤礦20m特厚煤層過密集斷層群開展研究，在超前探測、頂板巖層強度與結(jié)構(gòu)測試基礎(chǔ)上，特厚煤層大斷面煤巷過密集斷層群支護技術(shù)，并進行井下試驗與效果分析。

1 工程概況

馬道頭煤礦年產(chǎn)量12Mt，主采4號煤層，煤層平均厚度超過20m，埋深約300m，開采方式為大采高綜放開采。馬道頭煤礦8404工作面為北四盤區(qū)首采工作面，2404膠帶巷寬度5.5m，高度3.6m。采用水壓致裂法井下實測了2404巷道圍巖地應(yīng)力分布情況，最大水平主應(yīng)力7.33MPa，最小水平主應(yīng)力3.79MPa，垂直應(yīng)力6.90MPa，應(yīng)力場類型為σH>σV>σh型應(yīng)力場，構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)勢，最大水平主應(yīng)力方向為N67.5°E?？傮w來看，巷道圍巖地應(yīng)力屬于低應(yīng)力水平，但由于煤層強度較低，且受斷層影響后穩(wěn)定性更差，且受斷層可能導(dǎo)通上覆含水層，巷道圍巖控制難度較大。

2 巷道前方構(gòu)造帶及富水情況探測

圖1 巷道掘進頭前方密集斷層群

圖2 巷道掘進頭地質(zhì)構(gòu)造探測結(jié)果

采用YCS256礦用瞬變電磁儀對2404運輸巷進行超前探測，探測位置為掘進工作面前方40m處，布置測線3條，每條測線13個物理點，總計39個物理點。通過在掘進頭移動發(fā)射接收線圈，形成3條超前探測實測剖面，經(jīng)過分析處理，最后形成3幅超前探測的視電阻率扇面圖，超前水文條件探測示意如圖3所示。

圖3 超前水文條件探測示意

2404巷前40m超前探測資料解釋如圖4所示。巷道前方密集斷層帶附近煤巖體，對比分析頂板45°、順層和底板45° 3條剖面探測方向視電阻率擬斷面圖，可以看出3條測線剖面右側(cè)幫0～60°，橫向40m外范圍均呈現(xiàn)相對低阻反映，為疑似富水異常區(qū)，分析為巷道圍巖受此陷落柱或DF16H=0～10m ∠65～70°斷層影響，裂隙發(fā)育，富水性較強，前方密集斷層群可能連通奧陶系灰?guī)r含水層，具一定突水威脅。左幫出現(xiàn)類似對稱右?guī)偷牡妥鑵^(qū)，但范圍明顯小于右?guī)?，可能受瞬變電磁全空間體積效應(yīng)影響，判斷為假異常。另頂板測線剖面左側(cè)幫70～90°角測線方向之間，縱向40m 外范圍，視電阻率值相對較低，為疑似富水異常區(qū)。分析為巷道前方構(gòu)造裂隙發(fā)育，富水較強。

3 頂板巖層結(jié)構(gòu)及強度測試

為研究斷層帶附近頂板煤巖層條件，緊跟2404運輸巷掘進迎頭進行了頂煤頂板結(jié)構(gòu)鉆孔窺視，窺視結(jié)果如圖5所示，現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)該位置鉆孔中含水，裂隙及破碎帶位置為：0～0.8，1.2～1.5，1.8，3.4～3.6，3.8，4，4.6，9.5m位置，且3m以下的破碎帶和離層較為明顯。為此在斷層影響范圍，適當(dāng)增加錨桿的長度和錨固劑的數(shù)量，在保證錨固力的前提下適當(dāng)增加預(yù)緊力，抑制巷道圍巖的進一步離層與擴容破壞，提高煤巷過密集斷層群時巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖5 663m處(掘進迎頭后方19m)鉆孔窺視結(jié)果

2404巷頂煤頂板強度測試結(jié)果(圖6)表明，2404巷682m處(掘進迎頭)頂煤強度主要分布在10～22MPa之間，平均單軸抗壓強度15MPa左右，頂板強度相對較高，在40～70MPa之間。

圖6 巷道迎頭頂煤頂板強度曲線

通過對頂板巖層結(jié)構(gòu)測試結(jié)果，得出2404巷受斷層群、上部含水層及煤層角度變化影響，頂板含水、鉆孔淺部煤層裂隙和破碎帶相對較多。從頂煤頂板強度測試來看，頂煤平均單軸抗壓強度15MPa左右，頂板巖體強度40～70MPa之間。根據(jù)頂煤頂板情況，提出巷道前方過密集斷層群時，適當(dāng)提高錨桿的錨固力和支護密度，并在保證錨固力的前提下適當(dāng)增加預(yù)緊力；錨索長度根據(jù)頂煤厚度變化來確定，每20m進行頂煤頂板情況評估，進而確定是否變化錨索長度，提高對巷道圍巖的控制效果。

4 全煤巷道錨桿支護預(yù)應(yīng)力擴散特征

預(yù)應(yīng)力是錨桿支護的關(guān)鍵參數(shù)，對于過密集斷層群時，錨桿的預(yù)緊力的施加更為重要。考慮巷道圍巖中的原巖應(yīng)力與采動應(yīng)力比錨桿與錨索在圍巖中形成的支護應(yīng)力大很多，數(shù)值模擬中錨桿錨索所形成的支護應(yīng)力場將被原巖應(yīng)力和采動應(yīng)力完全覆蓋。為此不考慮原巖應(yīng)力，即在零原巖應(yīng)力場條件下，模擬分析不同預(yù)緊力下錨桿預(yù)應(yīng)力擴散規(guī)律。模擬頂板布置7根錨桿、幫上布置5根錨桿，頂板錨桿直徑22mm，長度2.4m；巷幫錨桿直徑20mm，長度2m。預(yù)緊力矩分別為100，200，350，400N·m時預(yù)應(yīng)力場分布，模擬中將預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化為預(yù)緊力，分別對應(yīng)20，40，70，80kN。不同錨桿預(yù)緊扭矩及不同錨桿(索)排距下圍巖中的支護應(yīng)力分布，計算結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 錨桿預(yù)緊力矩為100N·m時預(yù)應(yīng)力場分布

圖8 錨桿預(yù)緊力矩為200N·m時預(yù)應(yīng)力場分布

圖9 錨桿預(yù)緊力矩為350N·m時預(yù)應(yīng)力場分布

圖10 錨桿預(yù)緊力矩為400N·m時預(yù)應(yīng)力場分布

預(yù)應(yīng)力為100N·m時，頂板和兩幫錨桿預(yù)應(yīng)力都未能擴散到錨桿整個長度范圍，巷幫錨桿僅在錨桿錨固段附近和錨桿尾部0.5m范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力擴散較為良好，且?guī)r體內(nèi)部壓應(yīng)力值較低。當(dāng)預(yù)緊力矩為200N·m時，巷道圍巖最大壓應(yīng)力為0.094MPa，錨桿在圍巖中形成的預(yù)應(yīng)力偏低，錨桿尾部0.6m范圍預(yù)應(yīng)力擴散效果較好，其他錨固范圍預(yù)應(yīng)力仍較小。當(dāng)預(yù)緊力矩為350N·m時，巷道圍巖最大壓應(yīng)力為0.187MPa，錨桿預(yù)應(yīng)力擴散到整個錨桿錨固范圍。當(dāng)錨桿預(yù)緊力矩增大到400N·m時，巷道圍巖最大壓應(yīng)力為0.234MPa，壓應(yīng)力擴散效果較好。因此，在錨桿可錨的前提下，預(yù)應(yīng)力應(yīng)盡量大一些，從而減少巷道圍巖受強烈偏應(yīng)力的作用，減少圍巖的初期破壞。考慮到馬道頭煤礦2404巷過斷層群時，煤巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，為更好地抑制裂隙擴展，應(yīng)適當(dāng)提高錨桿的預(yù)緊力，確定錨桿預(yù)緊力為70kN，預(yù)緊扭矩應(yīng)盡量達(dá)到350N·m。

式（4）和式（5）中：IL表示為電感電流狀態(tài)量；VC為電容兩端電壓狀態(tài)量；Vg為輸入電壓狀態(tài)量；Vo為輸出電壓狀態(tài)量。

圖11～12為零原巖應(yīng)力場下，錨桿排距為800mm時，錨桿錨索在巷道頂板和側(cè)幫形成的預(yù)應(yīng)力場分布。頂板錨桿長度2.4m，直徑22mm，巷幫錨桿長度2m，直徑20mm，錨桿預(yù)緊力矩350N·m，錨索直徑21.8mm，長度10.3m。當(dāng)錨桿排距為800m時，錨桿與錨索在圍巖中形成的預(yù)應(yīng)力場最大值為0.22MPa，錨桿錨索預(yù)應(yīng)力能很好疊加，有利于預(yù)應(yīng)力在2404巷過斷層帶對裂隙擴展抑制。

圖11 錨桿排距為800mm時錨桿錨索在巷道頂板中形成的預(yù)應(yīng)力場分布

圖12 錨桿排距為800mm時錨桿錨索在巷幫形成的預(yù)應(yīng)力場分布

5 過密集斷層群支護技術(shù)及試驗

巷道頂煤頂板采用桿體為直徑22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，牌號為335，長度2400mm。采用2支樹脂錨固劑加長錨固，規(guī)格為MSK2360，設(shè)計錨固力為150kN。采用高強度拱型托板，鋼材屈服強度不低于235MPa，規(guī)格為150mm×150mm×10mm，高度不低于36mm，厚度不小于10mm。采用W鋼護板，厚度不小于4mm，寬度280mm，長度450mm。采用雙層菱形金屬網(wǎng)護頂，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格為5900mm×1000mm。錨桿排距800mm，每排7根錨桿，錨桿間距800mm。錨桿預(yù)緊扭矩不低于350N·m。錨桿全部垂直巖面打設(shè)，考慮到施工需要，允許10°誤差。

巷幫錨桿桿體為直徑20mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，錨桿長度2000mm，每幫布置5根錨桿，錨桿間排距為700mm× 800mm，采用1支MSZ2360樹脂錨固劑，設(shè)計錨固力為150kN。采用W鋼護板，厚度不小于4mm，寬度280mm，長度450mm。配套高強度拱形托板。巷幫采用單層菱形金屬網(wǎng)護幫，網(wǎng)片規(guī)格與頂板網(wǎng)片相同，巷幫錨桿預(yù)緊扭矩不低于350N·m，錨桿打設(shè)方式與頂板相同，全部垂直巖面打設(shè)。

為防止巷道頂板兩角處變形，在該處設(shè)置錨索梁，錨索材料為直徑17.8mm，17股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度4500mm，配套11號工字鋼，長度為1000mm，配套150mm×150mm×10mm托板。

為防止巷道掘進期間超前段發(fā)生頂煤冒落，采用注漿錨桿進行了超前支護，在掘進迎頭布置6根注漿錨桿，與水平方向夾角呈10°，注漿錨桿長6m，采用注漿全長錨固方式。

巷道斷面布置如圖13所示。

圖13 2404巷過構(gòu)造支護補強設(shè)計

在前述支護方案基礎(chǔ)上，針對大斷面煤巷過密集斷層群，為減少頂煤冒落、避免斷層導(dǎo)通頂板含水層誘發(fā)突水災(zāi)害，提出了以下特殊技術(shù)措施：

(1)由于過構(gòu)造帶頂煤頂板極其破碎，錨桿應(yīng)短掘短支，及時支護，最大空頂距不得超過1m；遇部分漏頂位置，巷道一掘出應(yīng)立即支護。

(2)為盡量阻止裂隙的擴展與貫通，錨桿錨索的預(yù)緊力有所提高。錨桿預(yù)緊力施加時采用扭矩倍增器擰緊螺母，提高錨桿的預(yù)緊力矩，螺母與球形墊之間要加尼龍墊圈，以減小摩擦提高預(yù)緊力。預(yù)緊力矩不低于350N·m。錨索應(yīng)進行超張拉，張拉至250kN，預(yù)緊力損失后應(yīng)達(dá)到200kN。

(3)做好探放水設(shè)計并施工超前探測鉆孔，掘進過程中密切注意頂?shù)装宄鏊闆r，加強排水。

(4)由于地質(zhì)構(gòu)造帶煤巖體較為破碎，且頂板含水，因此需要進行井下錨桿錨固力拉拔試驗和預(yù)緊力檢測，每掘進20m，對錨桿錨固力及預(yù)緊力進行抽檢。錨固力抽檢比例5%，預(yù)緊力抽檢比例20%。抽檢指標(biāo)為：錨桿錨固力不得低于150kN；錨桿預(yù)緊力矩不得低于350N·m。如果發(fā)現(xiàn)錨桿實際錨固力與設(shè)計值相差較大，必須對錨固參數(shù)進行調(diào)整和修改，并在其周圍補打錨桿或錨索。

(5)過構(gòu)造帶期間，每隔20m根據(jù)錨索鉆孔情況，分析頂煤厚度變化，并根據(jù)情況確定是否需要調(diào)整錨索長度及調(diào)整量。

(6)錨索張拉時，發(fā)現(xiàn)不合格錨索，必須在其附近補打合格錨索。錨索安裝2d后，如發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力下降，必須及時補拉。

(7)試驗過程中，每隔50m在頂板安裝1個離層指示儀，觀測圍巖移動情況，根據(jù)頂板離層情況，確定是否采用注漿或架棚加強支護。

上述技術(shù)方法在2404運輸巷過密集斷層群應(yīng)用后，對巷道變形情況進行了現(xiàn)場監(jiān)測，巷道穩(wěn)定后頂?shù)装逡平?5mm，兩幫移近102mm，巷道未發(fā)生頂板垮落、突水等事故，保證了巷道安全。

6 結(jié) 論

(1) 現(xiàn)場實測得出特厚煤層全煤巷道前方密集斷層群分布特征，超前探測揭示了密集斷層群誘發(fā)頂板含水層導(dǎo)水形成的富水異常區(qū)分布特征，得出了巷道橫向、縱向40m外范圍為疑似富水異常區(qū)。

(2)頂板結(jié)構(gòu)測試得出了2404巷受斷層群、上部含水層及煤層角度變化的影響，淺部煤層裂隙和破碎帶相對較多；頂煤頂板強度測試得出頂煤平均單軸抗壓強度15MPa左右，頂板巖體強度40～70MPa之間。

(3)提出特厚煤層大斷面煤巷過密集斷層群巷道動態(tài)支護設(shè)計，即提高錨桿的錨固力和支護密度，在保證錨固力的前提下適當(dāng)增加預(yù)緊力，且根據(jù)頂煤厚度變化確定錨索長度，提高對巷道圍巖的控制效果。

(4)特厚煤層大斷面煤巷過密集斷層群巷道支護技術(shù)在2404運輸巷應(yīng)用后，巷道穩(wěn)定后頂?shù)装逡平?5mm，兩幫移近102mm，未發(fā)生頂板垮落、突水等事故，保證了巷道安全。

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SupportingTechnologyofLarge-scaleCoalRoadwaywithDenseFaultGroupsinExtra-thickCoalSeam

JIANG Peng-fei1,2，CAI Hai3，LIU Yue-dong1,2，GUO Hui-jun3，LI Ji-shi3

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China; 2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.Datong Coal Mine Group Co.,Ltd.，Datong 037003，China)

It taking supporting of large-scale coal roadway with dense fault groups in 20m extra-thick coal seam of Madaotou coal mine in Datong as background，firstly，dense fault groups and water rich zone distribution characters were advanced detected in underground，coal and rock mass strength and structure characters of roadway roof were measured in field，and then pretension diffusion characters of rock bolt supporting in fully coal roadway were studied with detailed numerical simulation model.Then roadway dynamic supporting design of large-scale coal roadway with fault groups in extra-thick coal seam was put forward，anchoring force and supporting density of rock bolt were improved，the pretension was improved properly under stable anchoring force，and then cable length was determined by coal seam thickness variation，and surrounding rock control effect was improved obviously，after field application，the convergence of roof to floor and deformation between two sides were 75mm and 102mm，respectively，the roof was stably and no water inrush accident，and roadway safety was ensured.

extra-thick coal seam；large-scale coal roadway；dense fault groups；pretension

2017-09-09

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.010

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51704160)；國家重點研發(fā)計劃課題(2017YFC0603003)

姜鵬飛(1984-)，男，四川三臺人，碩士，副研究員，現(xiàn)從事巖石力學(xué)與巷道支護技術(shù)等方面的研究工作。

姜鵬飛，蔡 海，劉躍東，等.特厚煤層大斷面煤巷過密集斷層群支護技術(shù)[J].煤礦開采，2017，22(6)：40-45.

TD353

A

1006-6225(2017)06-0040-06

王興庫]