斷層構造影響帶內煤巷頂板全錨索支護研究

安將文

（山西安煤礦業設計工程有限公司，山西 太原 030006）

斷層構造影響帶下的巷道支護是采礦工程中最難解決的工程技術問題之一，以其大變形、難支護的特點受到普遍關注；同時，隨著計算機技術的迅速發展，離散元法等數值模擬方法開始大量用于支護參數的設計，它們在解決非圓形、非均質、復雜邊界條件的巷道支護設計方面顯示出較大的優越性，能夠較精確地模擬材料的塑形流動和破壞，得到了越來越廣泛的應用［1-5］.

1 試驗地點概況

1.1 斷層構造

某礦地質構造復雜，斷層十分發育，井田內揭露大小斷層近2600條，最高密度可達298條／km2，平均密度為160條／km2.對2號煤層中的斷層落差進行統計，結果5m以上的大、中型斷層，僅占斷層總數的4%，其余96%皆為落差＜5m的小斷層，而小斷層中，以落差1～3m者居多，占45%以上。這些斷層構造致使巷道破壞變形嚴重影響了礦井安全高效生產。

1.2 工作面布置

試驗工作面為2號煤層的2607工作面，黃土覆蓋厚度為320m，基巖厚度120m；工作面運輸巷與回風巷均沿煤層走向布置，巷道斷面形狀為矩形，斷面尺寸為4.2m×3.0m，工作面頂底板性質見表1.

表1 工作面頂底板性質表

2 支護方案優化設計

2.1 原支護方案

原支護為錨桿支護，采用d22mm×2400mm左旋螺紋鋼錨桿配合棱形金屬網和托梁進行支護，巷道處于巷道斷層構造影響帶內，且頂底板以松軟泥巖為主，受斷層構造應力的影響，圍巖比較破碎；2號煤質裂隙也比較發育，松軟，錨桿的預緊力不能有效控制周圍破碎巖體。由于掘進造成的振動，破碎頂板從錨桿托盤兩側掉落，造成托盤與頂板之間的裂隙，使錨固力降低甚至使錨桿失效。

2.2 全錨索支護方案

錨索在支護密度小的時候，主要起懸吊作用，但是當錨索的支護密度達到一定程度時，其對頂板圍巖能起到加固作用，由于2號煤層頂板為松軟的泥巖，可視為粘結力較小的松散體，在錨索群、W 鋼帶、金屬網的共同作用下，錨固范圍內的巖石可構成組合錨固體，使淺部圍巖形成具有一定承載能力的錨固平衡拱，錨固平衡拱對巷道平衡拱外的頂板能夠起到有效的支撐作用［6-7］.和錨桿相比，錨索的長度、預應力及承載能力都比較大，所以，錨索支護時形成的錨固平衡拱要比錨桿支護形成的錨固平衡拱承載能力強。

錨索的支護長度對支護效果有直接影響，一般長度越大，支護效果越好，但是錨索長度的加大，增加了施工難度，也增加了巷道支護成本，同時降低了掘進速度，因此，為了既能充分發揮錨索的支護效果，又能適當降低巷道支護成本，應選用適當長度的錨索。

初步確定全錨索支護方案如下：頂板全采用7股鋼絞線錨索，選擇兩種錨索長度：d15.24mm×8000 mm的長錨索和d15.24mm×5000mm的短錨索，用短錨索代替錨桿，長短錨索將金屬網、W 型鋼帶懸吊到直接頂上方的堅固老頂上；兩幫支護也采用錨桿和金屬網支護，參數不變，見圖1.

圖1 全錨索支護斷面示意圖

2.3 支護方案數值模擬對比分析

以運輸巷斷面為數值模擬模型，采用UDEC數值模擬進行分析。針對原方案和全錨索支護方案，建立數值模型，見圖2.

圖2 數值模擬計算模型圖

模型中，上覆巖層簡化為上邊界均布載荷，左右邊界限制水平位移，底部邊界限制垂直位移。材料本構模型為摩爾—庫倫模型，數值計算過程為原巖應力計算→巷道開挖→計算→巷道支護→計算→結果輸出。巖體和接觸面力學參數見表2，表3.

表2 塊體力學參數表

表3 結構面的物理力學參數表

原方案模擬結果見圖3，全錨索支護方案模擬結果見圖4.在巷道位移量中，hist1、3、5、7分別為左幫、右幫位移量、頂板、底板位移量。

由圖3可知，原方案錨桿支護的巷道圍巖控制有明顯的不足，部分錨桿和錨索被拉入了圍巖內，說明會導致托梁和金屬網的破壞，從而影響巷道的整體穩定性；底板位移已超過15cm，頂板位移15cm；巷道圍巖有較大的塑形屈服區。

與原方案相比，圖4所示的全錨索支護巷道變形明顯較小，巷道的頂板位移量為5cm，底板位移量為9cm，頂底板位移兩較前原支護明顯減小；圍巖塑形區范圍減小。這些都說明全錨索支護對圍巖的控制力確實比錨桿加錨索支護強，對巷道的支護更加有效。

3 全錨索支護方案現場觀測

3.1 觀測內容及測站布置

全錨索支護方案實施后進行礦壓檢測，內容主要有巷道表面位移、頂板離層、錨索受力及巷道斷面收縮率和破壞狀況統計等幾個部分。經過數據整理，選取1#測站的數據進行分析。

3.2 觀測結果分析

觀測數據結果見圖5.

圖3 原方案數值模擬計算結果示意圖

圖4 全錨索支護數值模擬計算結果示意圖

圖5 觀測結果示意圖

由圖5可知：

1）頂底板移近：巷道掘進期間，頂底板移近量小于60mm，距掘進面70m后，巷道頂底板基本穩定，移近量幾乎不變，說明巷道已趨于穩定，錨索支護對巷道變形起到良好的抑制作用。

2）兩幫移近量：巷道掘進期間，巷道兩幫移近量60mm左右，在巷道掘進70m后基本保持穩定，由于巷道位于斷層構造影響帶內，幫錨桿的錨固力有待加強。

3）頂板離層：巷道掘進期間，頂板的離層量不大，最大達到33mm，平均30mm左右，距巷道掘進60m左右，頂板基本沒有離層現象發生。

4）錨索受力：錨索在巷道掘出后立即施工，當巷道掘進10m時，錨索受力開始增加，起始值為50kN左右，隨著巷道的掘進，錨索受力增加，受力范圍為50～200kN，當巷道掘進到60～70m，錨索受力基本穩定，說明錨索受力與頂板離層有關，當頂板開始離層時，錨索受力增加。

4 結 論

斷層構造影響帶內，構造應力復雜，巷道頂板圍巖軟弱，直接頂巖石破碎。對斷層構造影響帶內巷道進行全錨索支護，長、短錨索交替布置配合。巷道圍巖的變形破壞狀態相比原錨桿支護方案得到了有效改善。現場對全錨索支護巷道進行了礦壓監測，巷道變形數據也證明了全錨索支護控制圍巖效果良好。

［1］ 李學華，楊宏敏，鄭西貴，等.下部煤層跨采大巷圍巖動態控制技術研究［J］.采礦與安全工程學報，2006，23（4）：393-397.

［2］ 姜耀東.軟巖巷道底鼓機理及其控制措施的研究［M］.北京：中國礦業大學，1993：105-107.

［3］ 顧士亮.軟巖動壓巷道圍巖穩定性原理及控制技術研究［D］.徐州：中國礦業大學，2004.

［4］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003：77-79.

［5］ 陳炎光，徐永忻.中國采煤方法［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1991：32-35.

［6］ 龔琴生.錨梁網索組合支護在復合項板煤巷中的試驗應用［J］.山東煤炭科技，2003（3）：42.

［7］ 郭忠平，何希林.復合頂板煤巷錨帶網加錨索聯合支護［J］.礦山壓力與頂板管理，2000（1）：29-30.