玉溪煤礦一采區(qū)回風(fēng)大巷過斷層支護技術(shù)研究

米 高

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

隨著多年大規(guī)模的開采，賦存條件較好的煤炭資源已日益枯竭，賦存條件較差、埋藏較深的煤炭資源則逐漸成為了我國許多礦井主要的回采對象[1]。有時巷道難免會布置在斷層破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造帶中[2]，特別是在埋深較大的情況下，巷道所受的地應(yīng)力顯著增高，圍巖穩(wěn)定性難以得到有效控制，給巷道的支護帶來了極大挑戰(zhàn)[3]，因此，復(fù)雜地質(zhì)條件下的巷道支護成為了諸多學(xué)者的研究焦點[4]。

玉溪煤礦一采區(qū)回風(fēng)大巷在掘進過程中揭露一大斷層，受該斷層影響巷道圍巖變形破壞嚴重，經(jīng)歷了多次返修，安全得不到有效保障，影響著該礦采掘活動的正常交替。因此查明巷道破壞原因，并對原支護方案進行相應(yīng)優(yōu)化，已成為了當(dāng)前該礦急需解決的任務(wù)。

1 工程概況

玉溪煤礦一采區(qū)南側(cè)為高沁高速（距工作面360 m），東南側(cè)為東嶺村（距工作面140 m），東西兩側(cè)及北側(cè)均為山區(qū)，無地面建筑。該采區(qū)內(nèi)的斷層構(gòu)造主要受區(qū)域斷裂控制，次級斷層發(fā)育，成為井田內(nèi)主要構(gòu)造。目前正在對該采區(qū)的3 號煤層進行回采，該煤層位于太原組底部，埋深550 m，平均厚度為4.5 m，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。為了保證采掘的正常交替，目前一采區(qū)正在掘進一條回風(fēng)大巷，凈寬5 m，凈高為4.5 m，沿煤層頂板掘進，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護。頂板每排布置4 根Ф20 mm×2300 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm；頂錨索每排布置3 根，型號Ф17.8 mm×6300 mm，間排距2000 mm×1000 mm；幫部每排布置4 根錨桿，型號、間排距同頂板一致。在支護過程中，錨桿所施加的預(yù)緊力為50 kN，錨索所施加的預(yù)緊力為120 kN。巷道斷面支護圖如圖1 所示。

圖1 巷道斷面支護圖

回風(fēng)大巷在掘進過程中揭露多條斷層，特別是揭露至FJ8 斷層時巷道出現(xiàn)了嚴重的破壞。鑒于布置于該斷層中的巷道較長，急需探明巷道的破壞原因并對原支護方案進行相應(yīng)優(yōu)化。

2 斷層屬性及巷道破壞特征

地質(zhì)資料顯示FJ8 斷層走向NW，傾向南西，斷層傾角70°～80°，井田南部斷距30～40 m，向北斷距變大到70 m，為正斷層，井田內(nèi)延伸約2100 m。布置于該斷層中的回風(fēng)大巷長度達到了264 m，當(dāng)揭露至該斷層時回風(fēng)大巷在原支護方式下出現(xiàn)了一定程度的破壞，主要破壞特征如下：

（1）巷道頂板下沉明顯，主要集中于頂板中部，局部地區(qū)的金屬網(wǎng)被撕裂，頂板多根錨桿、錨索被剪斷，同時伴有一定的淋水現(xiàn)象。

（2）兩幫圍巖屬性變化較大，并夾有較薄的煤層，局部地區(qū)圍巖強度較低，片幫嚴重。

（3）巷道底板中部存在著一定程度的底鼓現(xiàn)象，局部區(qū)域圍巖受淋水現(xiàn)象軟化嚴重。

3 現(xiàn)場及實驗室測試

3.1 頂?shù)装遒x存情況及力學(xué)參數(shù)測試

巷道頂?shù)装鍑鷰r的賦存情況以及各巖層的物理力學(xué)參數(shù)、礦物組分對于巷道圍巖穩(wěn)定性具有直接影響。為了對其進行詳細了解，在布置于FJ8 斷層中的巷道頂?shù)装暹x取合適的位置布置取芯鉆孔，并將所取巖芯密封后帶回實驗室對其物理力學(xué)參數(shù)進行了測試，將測試結(jié)果統(tǒng)計于表1。

由表1 可知，直接頂分別為泥巖和細粒砂巖，厚度分別為2.5 m 和3.8 m。泥巖抗壓強度較低，僅為18.54 MPa，細粒砂巖的強度為23.87 MPa。在測試過程中發(fā)現(xiàn)直接頂巖層裂隙較為發(fā)育，其中微小裂隙較多，局部地區(qū)裂隙張開度較大。基本頂巖層則為粗粒砂巖和粉砂巖，其中粉砂巖強度較高，圍巖完整性較好。巷道幫部圍巖具有較強的突變性且含有一層薄煤層，經(jīng)測試該煤層強度較低，且松散易破碎。巷道的直接底為泥巖，抗壓強度僅有17.34 MPa，基本底則為粉砂巖，強度明顯提高。

表1 一采區(qū)回風(fēng)大巷頂?shù)装鍑鷰r物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表

3.2 頂板圍巖礦物組分測試

由于布置于斷層中的回風(fēng)大巷出現(xiàn)了一定程度的淋水現(xiàn)象，頂板圍巖的礦物組分決定了頂板圍巖的吸水性強弱，進而影響該巷頂板的整體穩(wěn)定性。故研究頂板圍巖的礦物組分對于巷道支護方案的優(yōu)化具有重要意義。通過多功能x 射線衍射儀對頂板較淺部所取得的巖芯的礦物組分進行了測試，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 頂板圍巖礦物組分測試結(jié)果

由表2 可知，頂板圍巖中含有較多的伊利石、斜長石以及石英，含量分別達到了24%、21%和20.1%，蒙脫石和高嶺石含量相對較少，分別為13%和10.2%。其中斜長石、伊利石、蒙脫石均吸水易軟化，而高嶺石則吸水易水解。在上述吸水性礦物的影響下，頂板圍巖的支護難度急劇增加。

3.3 地應(yīng)力測試

在斷層的影響下，巷道圍巖的原巖應(yīng)力分布狀態(tài)必然會發(fā)生改變，而在實際生產(chǎn)中，布置于斷層中的巷道頂板多根錨桿、錨索出現(xiàn)了剪斷的現(xiàn)象，因此探究原巖應(yīng)力的分布狀況對于巷道的支護方案優(yōu)化具有重要意義。在巷道中共布置了4 個測站，使用水壓致裂法對其頂板的原巖應(yīng)力分布狀況進行了測試，測試結(jié)果如表3 所示。

表3 地應(yīng)力測試結(jié)果

由表3 可知，四個測站頂板所受的最大水平應(yīng)力分別為 19 MPa、18.7 MPa、19.5 MPa 和 21.3 MPa，所對應(yīng)的側(cè)壓系數(shù)分別達到了1.38、1.32、1.42和1.46。布置于斷層中的巷道受水平構(gòu)造應(yīng)力明顯，若錨桿、錨索強度較低，則極易發(fā)生剪切破壞。

4 巷道破壞原因

（1）巷道頂板較淺部圍巖以泥巖、細粒砂巖為主，強度偏低，裂隙發(fā)育，且含有較多的吸水性礦物，而巷道頂板存在著少量的淋水現(xiàn)象，加速了圍巖的軟化，給巷道的支護帶來不利影響。

（2）巷道圍巖頂板受水平構(gòu)造應(yīng)力明顯，而所使用的錨桿、錨索強度偏低，易受剪切而發(fā)生破壞，不能對頂板形成有效支護。

（3）巷道幫部圍巖突變性較強，不同巖層之間粘聚力較低，同時錨桿（索）對幫部圍巖的支護強度較弱，在上覆巖層的重力影響下易發(fā)生片幫。

（4）巷道底板為泥巖且沒有進行任何支護，在上覆巖層重力以及水平構(gòu)造應(yīng)力的影響下出現(xiàn)了一定程度底鼓，加速了巷道整體的失穩(wěn)。

（5）鄰近工作面的回采對該巷圍巖的穩(wěn)定性同樣造成了一定影響。

5 支護方案優(yōu)化

（1）在原方案的支護基礎(chǔ)上將錨桿改為注漿錨桿，長度加長至3000 mm，直徑加粗至28 mm，排距縮減至900 mm。注漿材料選用P52.5 硫鋁酸鹽高強速凝水泥，水灰比0.6～0.8，注漿壓力2.5 MPa，封口距離長約450 mm。

（2）頂板每排錨索增加至5 根，間排距調(diào)整為1000 mm×900 mm，長度加長至7000 mm，直徑加粗至22.6 mm。幫部錨桿在原方案的基礎(chǔ)上，長度加長至3000 mm，直徑加粗至22 mm，排距縮減至900 mm。

（3）底板每排布置四根Ф22 mm×3000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1000 mm×900 mm。

（4）在支護過程中錨桿所施加的預(yù)緊力統(tǒng)一增加至70 kN，錨索預(yù)緊力統(tǒng)一增加至175 kN。

優(yōu)化后的巷道斷面支護如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后巷道斷面支護圖

6 結(jié)論

（1）支護方案優(yōu)化后對巷道圍巖變形進行了為期1 個月的現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測期間頂?shù)装迨諗苛績H為65 mm，兩幫移近量僅為74 mm，與原支護方案相比分別減少了86.7%和89.3%，巷道圍巖變形得到了有效控制。

（2）布置于斷層中的回風(fēng)大巷頂板存在少量的淋水現(xiàn)象，且圍巖淺部強度偏低，含有較多的吸水性礦物，在有淋水的情況下易吸水軟化。同時該巷受斷層影響，水平構(gòu)造應(yīng)力顯現(xiàn)。針對巷道破壞原因，對原支護方案進行了相應(yīng)優(yōu)化，滿足礦井的正常安全生產(chǎn)。