強構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)復(fù)合軟巖地層巷道補強支護設(shè)計研究

黃 衡

(山西煤炭進出口集團 蒲縣萬家莊煤業(yè)有限公司,山西 蒲縣 041204)

巷道作為煤礦井下開采運輸、通風(fēng)及行人的重要通道，其穩(wěn)定性在煤礦安全中具有重要的作用[1-3]。如遇到斷層時，巷道圍巖會表現(xiàn)出應(yīng)力高、圍巖破碎的情況，極易造成巷道失穩(wěn)，嚴(yán)重影響井下工作面的安全開采。所以巷道過斷層構(gòu)造時采取針對性的支護措施顯得尤為重要[4]。本文針對萬家莊煤業(yè)北翼區(qū)段回風(fēng)巷提出了補強支護技術(shù)方案與參數(shù)。

1 工程概況

1.1 煤層及頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

萬家莊煤業(yè)位于山西省臨汾市。北翼區(qū)段回風(fēng)巷為2號煤層一采區(qū)，北翼區(qū)段回風(fēng)巷東側(cè)為F7正斷層，南側(cè)為運輸大巷，西側(cè)為北翼區(qū)段運輸巷、北側(cè)為實體煤。北翼區(qū)段回風(fēng)巷平面位置如圖1所示。

圖1 巷道平面布置示意

北翼區(qū)段回風(fēng)巷為矩形斷面，沿2號煤層頂板掘進。煤層平均厚度1.46 m。煤層頂板10 m范圍內(nèi)無穩(wěn)定的關(guān)鍵承載層，主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、泥巖、煤等軟弱薄層構(gòu)成復(fù)合軟巖頂板，煤層柱狀圖如圖2所示。煤層底板3 m范圍內(nèi)也無穩(wěn)定的關(guān)鍵承載層，主要由泥巖、煤等構(gòu)成復(fù)合軟巖底板。因此，回風(fēng)巷處于典型的復(fù)合軟巖地層中。巷道掘進寬度4.2 m，掘進高度3.1 m，掘進斷面13.02 m2。

圖2 煤層柱狀圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造情況

2號煤層賦存穩(wěn)定，不受沖擊地壓威脅，無煤與瓦斯突出危險性，煤層賦存穩(wěn)定。但是，北翼區(qū)段回風(fēng)巷近似平行于1條F7/H=25.7 m/∠70°大斷層(正斷層)掘進，保護煤柱45 m左右，如圖3所示。

圖3 北翼區(qū)段回風(fēng)巷受強構(gòu)造影響情況圖

北翼區(qū)段回風(fēng)巷位于該大斷層的上盤，因此巷道處于強烈的構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)，最大水平構(gòu)造應(yīng)力可以達到垂直應(yīng)力的1.5～2.0倍，約20～27 MPa。在強構(gòu)造應(yīng)力場作用下，巷道掘進過程中的礦壓顯現(xiàn)十分劇烈。

1.3 巷道現(xiàn)有支護情況

1) 頂部支護：采用間排距為800 mm×800 mm的D20 mm×2 200 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，采用間排距1 600 mm×1 600 mm的D21.8 mm×8 000 mm的鋼絞線，鋪設(shè)D6 mm的鋼筋網(wǎng)、網(wǎng)格100 mm×100 mm。

2) 幫部支護：采用間排距為800 mm×800 mm的D20 mm×2 200 mm左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，鋪設(shè)D6 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格100 mm×100 mm。

頂幫錨網(wǎng)索支護完畢后，最后集中噴漿，噴漿混凝土強度為C20，噴射厚度100 mm，現(xiàn)有支護如圖4所示。

圖4 北翼區(qū)段回風(fēng)巷現(xiàn)有支護斷面圖(mm)

1.4 巷道破壞情況現(xiàn)場調(diào)研

回風(fēng)巷屬于強構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)復(fù)合軟巖地層巷道，最大水平應(yīng)力為20～27 MPa，圍巖平均強度約30 MPa，圍巖應(yīng)力強度比為0.67～0.90，屬于不穩(wěn)定圍巖(根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》，當(dāng)圍巖強度應(yīng)力比<2時，為V類圍巖，屬于不穩(wěn)定圍巖)。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，萬家莊煤業(yè)北翼區(qū)段回風(fēng)巷表現(xiàn)為頂板剪切錯動變形、巷幫移近、底板鼓出等強烈礦壓顯現(xiàn)特征(圖5)，錨桿錨索破斷現(xiàn)象多，巷道安全可靠性差。所以提出了北翼區(qū)段回風(fēng)巷的補強支護技術(shù)方案。

圖5 北翼區(qū)段回風(fēng)巷變形破壞情況圖

2 回風(fēng)巷巷道受斷層構(gòu)造影響機理分析

該正斷層在巷道東側(cè)45～150 m，巷道在此斷層的上盤，由于斷層帶附近煤巖體一般較為破碎，再加上巷道掘出后圍巖應(yīng)力狀態(tài)惡化，使圍巖變得更為破碎，圍巖強度也進一步降低，極易發(fā)生巷道坍塌垮落破壞。影響構(gòu)造破碎區(qū)內(nèi)巷道圍巖變形破壞的關(guān)鍵因素主要有：

1) 圍巖應(yīng)力高。由于受斷層構(gòu)造影響明顯，使得構(gòu)造破碎區(qū)附近往往存在較大的構(gòu)造應(yīng)力，巷道開挖后，在構(gòu)造應(yīng)力作用下巖塊沿結(jié)構(gòu)面剪切滑移，破碎圍巖容易進一步破壞。

2) 應(yīng)變軟化特性。巖石超出峰值應(yīng)力后仍具有一定承載能力，而這一承載能力隨著應(yīng)變增大而逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

3) 體積膨脹特性?？刂茢鄬悠扑閰^(qū)巷道圍巖變形即為控制圍巖破碎后的體積膨脹。

4) 節(jié)理化圍巖。構(gòu)造破碎區(qū)中巷道圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，極易在構(gòu)造應(yīng)力和開挖擾動作用下發(fā)生較大的變形和破壞，從而影響巷道的穩(wěn)定性[5]。

3 北翼區(qū)段回風(fēng)巷補強支護方案初步設(shè)計

3.1 巷道支護原則

回風(fēng)巷屬于高構(gòu)造應(yīng)力復(fù)合軟巖地層巷道，在巷道掘進過程中，巷道頂?shù)装搴蛢蓭驮趶娏覙?gòu)造應(yīng)力(水平應(yīng)力)影響下將發(fā)生劇烈的剪切滑移變形，進而導(dǎo)致頂板變形、巷幫鼓出以及底鼓，因此必須要通過錨桿(索)主動提供高強度的軸向與橫向抗力，阻止不連續(xù)面的滑移與張開，提高圍巖的抗剪強度。

3.2 巷道補強支護形式選擇

根據(jù)現(xiàn)場探測結(jié)果，考慮到萬家莊煤業(yè)北翼區(qū)段回風(fēng)巷屬于強構(gòu)造應(yīng)力影響區(qū)復(fù)合軟巖地層巷道，巷道頂板和兩幫0～3 m范圍內(nèi)圍巖裂隙十分發(fā)育，圍巖剪漲擴容變形十分劇烈，普通錨桿錨索發(fā)生“拉-剪”破斷現(xiàn)象十分普遍。針對這一變形破壞特征，必須要通過圍巖注漿改性加固等手段，來提高巷道頂板和兩幫0～3 m范圍內(nèi)圍巖的抗剪強度，增強圍巖的承載能力。為此，回風(fēng)巷采用“超高強錨-管-注一體化協(xié)同支護+U型鋼棚”聯(lián)合補強支護方式，巷道支護方案如圖6所示。

3.3 巷道補強支護參數(shù)設(shè)計

1) 頂板補強支護參數(shù)。為提高巷道頂板復(fù)合巖層整體抗剪承載能力，采用超高強錨-管-注一體化協(xié)同補強支護形式，具體參數(shù)如下：頂板使用規(guī)格為D21.8 mm×4 300 mm的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索(1×19股)，極限破斷拉力不低于607 kN，最大力總延伸率不低于7%.采用300 mm×300 mm×14 mm的高強度可調(diào)心托板及配套高強度鎖具，托板材質(zhì)為Q235鋼。錨索配合采用D40 mm×2 500 mm抗彎剪-注漿一體化支護裝置，該支護裝置為特制的組合螺紋鋼管結(jié)構(gòu)，兼有抗彎剪支護和注漿功能。

圖6 回風(fēng)巷超高強錨-管-注一體化

根據(jù)漿液擴散特征，建議頂板補強錨索間距為1 500 mm，排距為1 600 mm；錨索鉆孔采用大小孔嵌套方式，大孔直徑45 mm，長度為3 000 mm；小孔直徑29 mm，長度為1 000 mm。每根補強錨索采用1卷MSK2335和1卷 MSZ2360 樹脂藥卷錨固；錨索預(yù)張力250 kN，損失后不低于200 kN。

2) 兩幫和底角補強支護參數(shù)。為確保對巷幫和底板的有效控制，兩幫使用規(guī)格為D21.8 mm×4 300 mm的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索(1×19股)，配合采用D40 mm×2 500 mm抗彎剪-注漿一體化支護裝置，間距為1 100 mm，排距為1 600 mm。其余參數(shù)同頂板。底角使用規(guī)格為D21.8 mm×6 300 mm的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索(1×19股)，配合采用D40 mm×4 000 mm抗彎剪-注漿一體化支護裝置，排距為1 600 mm。底角錨索與水平面夾角為45°。其余參數(shù)同頂板。

3) U型鋼架支護參數(shù)。在上述超高強錨-管-注一體化協(xié)同支護補強的基礎(chǔ)上，建議進一步采用平頂U型鋼棚支護來提高巷道的安全性與可靠性。建議棚距為800 mm，支架搭接長度500 mm，搭接處使用2副限位卡纜緊固，限位卡纜螺母扭矩不小于300 N·m。每棚間采用金屬支拉桿連接，每個斷面共3根，中頂(偏上幫100 mm)1根、搭接處下限位卡纜位置各1根。支架應(yīng)垂直頂?shù)装?，支架前傾后仰不大于1°，傾斜巷道每增加5～8°，支架迎山角增加1°，淋肩不大于40 mm，支架梁扭矩不大于50 mm。頂梁采用鐵背板腰背，頂梁以下采用鐵背板，間距為300 mm。鐵背板規(guī)格為900 mm×50 mm，腰背要平、直，每塊鐵背板兩頭用14號鐵絲與鐵絲網(wǎng)聯(lián)牢，使壁后充填嚴(yán)實。

4) 噴漿支護參數(shù)。北翼區(qū)段回風(fēng)巷在注漿之前，必須對巷道表面進行噴漿處理。噴射混凝土強度等級C20，噴層厚度建議50～100 mm。

5) 高性能漿液注漿加固參數(shù)。通過組合螺紋鋼管的注漿裝置向頂板和兩幫錨索注漿，注漿材料采用425號普通硅酸鹽水泥，配合高性能納米改性添加劑，漿液水灰比為0.5～0.6，添加劑用量為10%～15%.注漿壓力根據(jù)以往經(jīng)驗，注漿壓力為3.0～5.0 MPa，最大注漿壓力為5.0 MPa。一般單孔注漿時間為3～5 min。

4 回風(fēng)巷補強支護效果分析

采用如上支護方式進行補強支護后，為驗證支護效果，在巷道表面布置測點，對巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平窟M行分析，觀測周期為60 d。提取數(shù)據(jù)并處理后得到巷道表面圍巖變形曲線，如圖7所示。

圖7 巷道圍巖位移變形圖

監(jiān)測結(jié)果顯示，巷道頂?shù)装逡平繛?21 mm，巷道兩幫最大收斂量104 mm，均在可控范圍之內(nèi)，可以滿足巷道的安全使用要求，巷道變形得到了有效的控制，此支護方式效果良好。

5 結(jié) 語

1) 巷道受斷層構(gòu)造影響，在巷道掘進過程中，巷道頂?shù)装搴蛢蓭驮趶娏覙?gòu)造應(yīng)力(水平應(yīng)力)影響下將發(fā)生劇烈的剪切滑移變形，進而導(dǎo)致頂板變形、巷幫鼓出以及底鼓，必須要通過錨桿(索)主動提供高強度的軸向與橫向抗力，阻止不連續(xù)面的滑移與張開，提高圍巖的抗剪強度；

2) 通過理論分析，發(fā)現(xiàn)需要通過圍巖注漿改性加固等手段，來提高巷道頂板和兩幫0～3 m范圍內(nèi)圍巖的抗剪強度，增強圍巖的承載能力。因此提出采用“超高強錨-管-注一體化協(xié)同支護+U型鋼棚”聯(lián)合補強支護方式，并確定了具體的補強支護參數(shù)。