巷道掘進(jìn)過(guò)斷層全錨索支護(hù)技術(shù)研究

辛 超

（山西汾西正文煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

引言

隨著煤炭資源的不斷開采，煤層賦存地質(zhì)條件更趨復(fù)雜，瓦斯、地質(zhì)構(gòu)造等影響更為明顯[1-2]。巷道掘進(jìn)時(shí)會(huì)遇到構(gòu)造特別是斷層時(shí)，在斷層破碎帶影響下圍巖控制難度較高[3]。以山西某礦5306 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)斷層為工程背景，提出采用全錨索方式控制斷層破碎帶圍巖，現(xiàn)場(chǎng)取得顯著圍巖控制效果。

1 工程概況

山西某礦現(xiàn)主采5 號(hào)煤，煤層傾角8～15°，厚度3.9 m，埋深500 m。5 號(hào)煤層粉砂巖（厚8.35 m），直接頂為泥巖（厚1.8 m）、砂質(zhì)泥巖（厚2.1 m），直接底為粉砂巖（厚5.6 m）。5306 綜采工作面開采5 號(hào)煤，切眼斜長(zhǎng)180 m、回采巷道長(zhǎng)2 500 m。現(xiàn)礦井正掘進(jìn)5306 運(yùn)輸巷，該巷道斷面為矩形，寬4.2 m、高3.0m，預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)揭露F303（H=3.2～5.9 m，186°∠73°），受斷層影響圍巖破碎。

2 斷層破碎帶對(duì)圍巖控制影響

2.1 巷道原支護(hù)體系分析

5306 運(yùn)輸巷支護(hù)采用錨網(wǎng)索+W 鋼帶支護(hù)形式，具體支護(hù)參數(shù)為：頂板采用Φ22 mm×2 400 mm錨桿并配合W 鋼帶（長(zhǎng)×寬×厚=4 200 mm×220 mm×3 mm）支護(hù)，間排距為1 000 mm；頂板錨索用Φ15 mm×8 000 mm 鋼絞線；U 型鋼托梁長(zhǎng)1 200 mm，按照1 400 mm×1 700 mm 間排距布置。巷幫支護(hù)采用錨桿+金屬網(wǎng)支護(hù)方式。具體支護(hù)設(shè)計(jì)見圖1。

由于巷道掘進(jìn)時(shí)頂?shù)装鍘r性參數(shù)以砂質(zhì)泥巖、泥巖，不僅自身承載能力不強(qiáng)而且遇水時(shí)圍巖容易風(fēng)化，巷道圍巖在斷層影響下圍巖破碎。巷道頂板錨桿支護(hù)時(shí)采用的擰緊力矩為120 N·m，桿體施加的預(yù)緊力為30 kN，受到圍巖破碎且松軟影響，導(dǎo)致錨桿托盤與巷道圍巖無(wú)法緊密接觸，弱化圍巖支護(hù)效果?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)圍巖支護(hù)體系中錨索失效數(shù)量遠(yuǎn)小于錨桿數(shù)量。

圖1 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖（單位：mm）

2.2 巷道錨桿支護(hù)體系失效原因

2.2.1 構(gòu)造應(yīng)力

根據(jù)相關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，巷道掘進(jìn)過(guò)正斷層、逆斷層時(shí)殘余構(gòu)造應(yīng)力主應(yīng)力分別為垂向方向、水平方向。當(dāng)巷道掘進(jìn)過(guò)斷層破碎帶時(shí)，在掘進(jìn)影響下圍巖應(yīng)力會(huì)重新分布[4]。當(dāng)巷道圍巖支護(hù)提供的支撐力無(wú)法抵抗圍巖應(yīng)力時(shí)則會(huì)使得圍巖嚴(yán)重變形。

2.2.2 圍巖巖性

5306 運(yùn)輸巷圍巖為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，巖性較為松軟，本身承載能力較差，在斷層構(gòu)造應(yīng)力以及巷道掘進(jìn)應(yīng)力影響下，圍巖控制難度較大。

2.2.3 頂板下沉

5306 運(yùn)輸巷埋深平均達(dá)到500 m，地應(yīng)力相對(duì)較大。巷道頂板巖層中含有較高的泥巖成分，遇水時(shí)容易膨脹變形。頂板在水以及垂向應(yīng)力聯(lián)合作用下導(dǎo)致下沉，對(duì)巷道頂板下沉量觀測(cè)發(fā)現(xiàn)頂板變形量約為底板下沉量的1.5～2.5 倍。

綜合上述分析可知，巷道原支護(hù)體系中錨桿遇斷層破碎帶支護(hù)大量失效的原因主要為圍巖破碎、松軟加之在水、地應(yīng)力綜合作用下導(dǎo)致頂板巖層破碎范圍明顯增加使得錨固端位置即出現(xiàn)較大變形，從而使得錨桿失效。

3 全錨索支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 全錨索支護(hù)機(jī)理

當(dāng)巷道圍巖結(jié)構(gòu)完整時(shí)，錨索在支護(hù)體系承擔(dān)懸吊作用，從而減低巷道頂板相對(duì)位移量；當(dāng)巷道圍巖破碎且錨索支護(hù)密度較高時(shí)，由于錨索預(yù)緊力相對(duì)較高，可將破碎圍巖加固形成一個(gè)相對(duì)承載能力較強(qiáng)的整體，從而減少巷道過(guò)斷層破碎帶時(shí)圍巖變形[5-7]。

5306 運(yùn)輸巷頂頂板巖性為強(qiáng)度較低、承載力不高的泥巖、砂質(zhì)泥巖，在斷層影響下破碎，因此可將巷道圍巖視為黏結(jié)力相對(duì)較弱的松散體。而對(duì)于該類型松散體采用錨索以及護(hù)表結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，可在圍巖塑形破壞區(qū)內(nèi)形成強(qiáng)度較高的平衡拱，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板巖層的有效支撐。

錨桿受到長(zhǎng)度限制一般在巷道表層1 800～2 500 mm 范圍內(nèi)形成加固體，無(wú)法與上覆穩(wěn)定巖層一起抵抗圍巖變形。相對(duì)于錨桿，采用錨索具有更大的預(yù)緊力及強(qiáng)度。

3.2 全錨索支護(hù)參數(shù)

在對(duì)全錨索支護(hù)施工時(shí)，應(yīng)綜合巷道圍巖支護(hù)效果、支護(hù)成本、支護(hù)時(shí)間以及施工難度，對(duì)全錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即能滿足圍巖控制需要又可降低支護(hù)成本。

根據(jù)5306 運(yùn)輸巷圍巖巖性，設(shè)計(jì)采用金屬網(wǎng)、錨索以及W 鋼帶對(duì)巷道過(guò)破碎帶時(shí)圍巖進(jìn)行控制。提出的支護(hù)參數(shù)與原支護(hù)參數(shù)主要區(qū)別是采用長(zhǎng)度5 000 mm 錨索替代長(zhǎng)度2 400 mm 錨桿，錨索間排距均為1 000 mm，錨固長(zhǎng)度2 000 mm，預(yù)緊力為120 kN；W 鋼帶、金屬網(wǎng)規(guī)格與原支護(hù)參數(shù)一致。錨索配套采用的托梁為長(zhǎng)1 200 mm 的U 型鋼，具體支護(hù)設(shè)計(jì)見圖2。

由于巷道過(guò)斷層破碎帶時(shí)巷幫位移量不大，為此保持巷幫支護(hù)參數(shù)不變。

3.3 圍巖控制效果分析

為了考察全錨索支護(hù)過(guò)斷層破碎帶圍巖控制效果，對(duì)圍巖變形量及錨索受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1）頂板巖層在滯后掘進(jìn)迎頭約60 m 時(shí)（支護(hù)完成12 d 時(shí)）變形趨于穩(wěn)定，頂板離層量在25～33 mm、平均30 mm，頂板變形下沉量在68～76 mm、平均72 mm；巷幫變形量在滯后掘進(jìn)迎頭約65 m 時(shí)趨于穩(wěn)定，變形量在55～60 mm、平均58 mm。

圖2 全錨索支護(hù)示意圖（單位：mm）

2）錨索支護(hù)時(shí)初始預(yù)應(yīng)力為50 kN，待錨索滯后掘進(jìn)迎頭約10 m 時(shí)開始明顯增加，待滯后掘進(jìn)迎頭約50 m 時(shí)錨索受力趨于穩(wěn)定，錨索受到的拉力平均為190 kN。

4 結(jié)論

1）5306 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過(guò)斷層破碎帶時(shí)受到巷道圍巖破碎、地應(yīng)力以及構(gòu)造影響綜合作用下圍巖控制困難。巷道原采用的錨網(wǎng)索支護(hù)方式由于圍巖破碎且含有大量的粘土導(dǎo)致錨桿失效嚴(yán)重，難以滿足斷層破碎帶圍巖控制需要。

2）提出采用全錨索支護(hù)方式對(duì)斷層破碎帶圍巖進(jìn)行控制，具體將錨桿（Φ22 mm×2 400 mm）改為短錨索（Φ15 mm×5 000 mm）。在短錨索、錨索共同作用下將巷道表層破碎巖層與深部穩(wěn)定巖層一起共同抵抗圍巖應(yīng)力影響。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，巷道頂板、巷幫變形量分別均控制在72 mm、58 mm 以內(nèi)，取得顯著的圍巖控制效果。