掘進(jìn)巷道過斷層破碎帶支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

張青杰

（霍州煤電集團(tuán)云廈建筑工程有限公司，山西 霍州 031400）

0 引言

近幾年，隨著礦井采掘深度的不斷延伸，在開采煤層地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育復(fù)雜的巷道時(shí)，斷層處理技術(shù)非常關(guān)鍵。斷層是開采上下煤層受圍巖應(yīng)力擠壓，失穩(wěn)造成的，嚴(yán)重破壞了煤巖層的整體穩(wěn)定性，給巷道支護(hù)增加了困難，降低了巷道掘進(jìn)速度。巷道掘進(jìn)過程中，在遇到斷層時(shí)由于巷道頂板離層、破碎，采用傳統(tǒng)的巷道支護(hù)方式，巷道的整體錨固性差，易發(fā)生冒頂?shù)默F(xiàn)象。隨著時(shí)間的推移，斷層部位的圍巖應(yīng)力逐步增大，傳統(tǒng)的支護(hù)方式難以支撐頂板巖層，導(dǎo)致破碎帶頂板成層狀破碎并不斷向巷道頂板的深部擴(kuò)散，引發(fā)大面積的巷道頂板漏頂。為此，國內(nèi)諸多學(xué)者開展相關(guān)研究，張景公[1]針對潘北礦東翼-490 m 放水大巷過DF13 斷層破碎帶巷道頂板壓力大，巖石裂隙發(fā)育，易導(dǎo)致頂板冒頂?shù)那闆r，對原有的巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用了超前綜合支護(hù)技術(shù)，為掘進(jìn)巷道過斷層支護(hù)提供參考。以白龍礦10-312 工作面掘進(jìn)巷道為工程背景，對巷道過斷層頂板破碎的支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效保證礦井的安全生產(chǎn)。

1 10-312 工作面概況

1.1 基本情況

白龍礦位于山西霍州白龍鎮(zhèn)，井田面積31.65 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120 萬t/a，采煤工藝采用綜合機(jī)械化沿煤層頂?shù)装逡淮涡曰夭勺呦蜷L壁采煤技術(shù)。10-312 工作面開采太原組10 號煤，開采煤層厚度3.2～6.5 m，平均厚度約4.85 m，煤層結(jié)構(gòu)系數(shù)為1.4，屬地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜煤層，開采煤種主要為瘦煤。煤層傾角3.5°～9.7°，平均傾角6.6°[2]。

1.2 頂?shù)装迩闆r

巷道頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 巷道頂?shù)装鍘r性情況

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

10-312 工作面地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，為單斜構(gòu)造區(qū)，其產(chǎn)狀總體為走向北東，傾向北西，傾角平均8°。10-312 運(yùn)輸巷現(xiàn)掘進(jìn)至A15 點(diǎn)前91 m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況分析，工作面揭露1 條落差H=10 m 的下跳正斷層。

2 原支護(hù)方案分析

2.1 原支護(hù)參數(shù)

2.1.1 斷面尺寸

巷道在掘進(jìn)期間，前期為矩形斷面設(shè)計(jì)施工，為提高巷道支護(hù)的穩(wěn)定性，優(yōu)化設(shè)計(jì)為“三心拱”斷面施工，巷道寬5100 mm，拱高1600 mm，巷道高度為3200 mm，掘斷面積15 m2[3]。

2.1.2 支護(hù)參數(shù)

拱頂及兩幫采用Φ20 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿，“七七”放射形布置，錨桿間距為900 mm、排距為1000 mm，每根螺紋鋼配套使用2 支樹脂藥卷，上部為CK2355，下部為K2355；兩幫均采用Φ20 mm×2200 mm 的螺紋鋼錨桿支護(hù)“二二”布置，間距900 mm、排距1000 mm，每根螺紋鋼配套使用2 支K2355樹脂藥卷；頂、幫錨桿均配套使用1 塊長×寬=300mm×400 mm×3 mm 的鋼帶托塊；頂板錨索支為“二二”布置，間距2000 mm、排距1000 mm。錨索采用Φ22 mm×8000 mm 的錨索，每根錨索配套1 塊長×寬×厚=300 mm×300 mm×14 mm 的鐵板，錨索墊片規(guī)格為長×寬×厚=90 mm×90 mm×10 mm 的鐵板見圖1。每根錨索均配套2 支藥卷，下部為K2355，上部為CK2355。頂、幫均要求鋪設(shè)長×寬=2 mm×1 m的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)搭接，搭接深度100 mm，聯(lián)網(wǎng)距不大于250 mm，聯(lián)網(wǎng)絲扭結(jié)不少于3 扣。巷道施工完畢后，噴漿厚50 mm，噴漿緊跟工作面，回采巷道過正斷層支護(hù)布置如圖1 所示。

圖1 10-312 回采巷道過正斷層支護(hù)布置（單位：mm）

2.2 原支護(hù)方案的理論分析

經(jīng)過現(xiàn)場動(dòng)態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，10-312 工作面在過斷層期間基本為全巖巷，巷道周圍圍巖屬泥巖及堅(jiān)硬的灰?guī)r，巷道表面的圍巖收斂并不明顯，但圍巖表面也有多處破碎現(xiàn)象。

研究發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有支護(hù)中，頂板錨桿、錨索布置過于集中。錨桿、錨索間排距較小，支護(hù)過于密集，高密度的設(shè)置錨桿和錨索，不僅增加了錨桿的鉆孔深度，而且降低了巷道掘進(jìn)速度；還有較密集聯(lián)合支護(hù)方式在一定程度上會對巷道圍巖的穩(wěn)定性造成破壞，導(dǎo)致巷道圍巖無法充分發(fā)揮自承能力。由此可見，在過此類距離較長的巖層巷道，現(xiàn)有的支護(hù)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅對圍巖的支護(hù)效果并沒有更多積極作用，還會形成支護(hù)冗余，支護(hù)材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，所以要合理經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)支護(hù)最優(yōu)化[4]。

3 優(yōu)化支護(hù)研究

3.1 斷層破碎帶鉆孔窺視

對于10-312 運(yùn)輸巷地質(zhì)變化區(qū)進(jìn)行取點(diǎn)鉆孔窺視，分別取A、B、C 三個(gè)點(diǎn)。C 點(diǎn)處頂板為4.2 m 煤連接0.8 m 巖層，煤體完整性較好，松動(dòng)圈范圍約為1 m，無明顯裂隙。A 點(diǎn)處幫部在測試深度范圍內(nèi)為煤層，無巖石，幫部圍巖破碎程度較高，松動(dòng)范圍約2 m，在1.2 m 深度范圍內(nèi)，有較大裂隙出現(xiàn)，在0.7 m 范圍內(nèi)鉆孔完整度較差，判斷為巷道幫部法向裂隙，寬度約1 cm。B 點(diǎn)處頂板為地質(zhì)變化區(qū)，從外到內(nèi)為煤-巖-煤分布，長度分別為0.1 m、1.1 m、0.5 m，松動(dòng)圈范圍為1.6 m，全段都存在裂隙，在1 m 深度處存在著1 條寬度接近5 cm 的大裂隙。可以得出：

1）10-312 運(yùn)輸巷過下跳斷層段巷道，在B、C 兩點(diǎn)屬于過斷層構(gòu)造的巖層破碎帶?？梢奀 點(diǎn)幫部裂隙較多，甚至出現(xiàn)大裂紋，寬度在0.5～3 cm，B 站頂板全段裂隙很多，松動(dòng)范圍也較大。推斷認(rèn)定為過斷層圍巖破碎帶，巖性極差，開挖造成的圍巖擾動(dòng)，所以在巷道進(jìn)斷層初見巖、出斷層初見煤時(shí)，在斷層破碎帶應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，錨桿錨索長度及支護(hù)密度應(yīng)根據(jù)圍巖性質(zhì)和現(xiàn)場圍巖的破碎程度做適當(dāng)?shù)暮侠硇哉{(diào)整。

2）10-312 運(yùn)輸巷地質(zhì)變化區(qū)下傾前頂板較差，三段分布都存在著不同程度的破碎，尤其是中部巖體存在著寬達(dá)8 cm 的大裂隙，由于破碎高度并不深，需防范該段的頂板冒落，本次觀測的斷層構(gòu)造帶無涌水現(xiàn)象，帶對于過斷層破碎帶應(yīng)警惕突水事故的發(fā)生。

3.2 優(yōu)化支護(hù)方案

拱形頂板采用Φ22 mm×2500 mm 的螺紋鋼錨桿，由“七七”放射形布置優(yōu)化為“六六”放射形布置，錨桿間距由900 mm 增加為1100 mm；頂板錨索由“二二”布置優(yōu)化為在頂板中心布置1 排錨索，排距由2000 mm 縮減至1000 mm；其他支護(hù)參數(shù)保持不變，優(yōu)化后的支護(hù)布置見圖2。

圖2 10-312 回采巷道過正斷層優(yōu)化支護(hù)布置圖（單位：mm）

3.3 錨桿、錨索預(yù)緊力的確定

錨桿的預(yù)應(yīng)力是實(shí)施張拉時(shí)所施加的預(yù)應(yīng)力。而錨桿、錨索的預(yù)緊力主要是安裝施工錨桿、錨索過程中，借助螺母對錨桿、錨索施加所產(chǎn)生的主動(dòng)扭矩，來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)效果。巷道支護(hù)時(shí)在安裝錨桿的過程中，對螺母施加的力矩直接轉(zhuǎn)變?yōu)閷﹀^桿桿體所施加的軸向拉力。錨桿預(yù)應(yīng)力的計(jì)算主要是錨桿預(yù)緊力和錨桿桿體橫截面積對比值。錨桿的主動(dòng)支護(hù)系數(shù)則是錨桿預(yù)應(yīng)力和錨桿桿體屈服強(qiáng)度的對比值。白龍礦所用螺紋鋼錨桿直徑Φ20 mm，預(yù)緊力應(yīng)為37.7～62.8 kN。

錨桿尾部螺母承受的預(yù)緊扭矩與錨桿預(yù)緊力的關(guān)系為：

式中：p0為錨桿預(yù)緊力，取37.7～62.8 kN；M 為施加的預(yù)緊扭矩，N·m；D 為錨桿直徑，取20 mm；K 為與錨桿的桿體、橫截面、桿體直徑相關(guān)的系數(shù)，取0.38。經(jīng)過計(jì)算，10-312 工作面掘進(jìn)巷道過斷層期間所采用的螺紋鋼錨桿直徑Φ20 mm，將數(shù)值代入公式得出預(yù)緊扭矩為：M=286.5 N·m。

10-312 工作面巷道掘進(jìn)期間所采用Φ17.8 mm錨索預(yù)應(yīng)力應(yīng)達(dá)到150～180 kN，Φ20 mm 直徑螺紋鋼錨桿預(yù)緊扭矩不低于286.5 N·m。

4 結(jié)語

通過以上研究，對于下跳斷層過巖層巷道，圍巖較為穩(wěn)定，破壞程度較低，原有巷道支護(hù)密集，這導(dǎo)致在巷道掘進(jìn)期間的支護(hù)耗時(shí)耗力，影響掘進(jìn)效率的同時(shí)，多余的巷道支護(hù)構(gòu)件極有可能破壞巷道圍巖的整體性，優(yōu)化支護(hù)方案與原支護(hù)方案相比，降低支護(hù)成本，提高支護(hù)掘進(jìn)速度的同時(shí)，依然可以保證巷道在掘進(jìn)過程中的安全穩(wěn)定性。