鋪龍灣礦51102巷掘進過斷層破碎帶全錨索支護技術研究

（山西鋪龍灣煤業有限公司 山西 037100）

隨著礦井采深的增加，煤炭回采、巷道掘進時受到斷層等地質構造影響更趨明顯。在地質構造影響下，煤層、地層等連續性遭受破壞，局部區域煤巖體破碎，給煤炭正常生產帶來顯著威脅[1-3]。特別是回采巷道掘進過斷層破碎帶時，圍巖破碎、巷道支護困難，如何實現巷道圍巖的有效控制是煤炭開采時需要解決的現實問題[4]。文中以鋪龍灣礦51102巷掘進過F4斷層為研究對象，在分析斷層對巷道掘進影響基礎上，提出采用全錨索支護技術控制斷層破碎帶圍巖，現場應用取得顯著效果。

1.工程概況

51102巷為5110工作面回風巷，巷道設計掘進1817m，巷道設計斷面為矩形，面寬×高=4500mm×3000mm，沿著5#煤層底板施工。5#煤層賦存較為穩定，煤層整體傾向W—SW。根據5108已采工作面及待采51121順槽揭露煤層情況，預測5110工作面開采的5#煤厚在7.27～8.85m，煤層夾雜有3～5層泥巖、砂質泥巖矸石，夾石厚度0.3～1.0m。5#煤層頂底板巖層巖性以泥巖、中砂巖以及砂質泥巖為主，具體見表1。

表1 5#煤層頂、底板情況

依據三維地震探測資料以及臨近的5108、5112工作面回采揭露斷層情況，預計51102巷掘進期間會揭露7條斷層，均為正斷層，具體斷層參數見表2。預計F4、F6、F7斷層會給巷道正常掘進帶來顯著影響。受到斷層影響，51102巷掘進范圍內圍巖破碎，給巷道掘進安全帶來顯著的影響。

表2 斷層參數

2.斷層對51102巷圍巖控制影響分析

(1)斷層影響帶內構造應力復雜

51102巷掘進范圍內分布有多條落差在0.5～5.6m的正斷層，在斷層附近地質構造應力分布復雜且正應力方向為垂直方向。巷道掘進至斷層附近時，受到開挖掘進影響，構造應力平衡被打破，應力重新分布。當巷道圍巖支護強度難以抵抗斷層構造應力時，會造成巷道圍巖出現大變形甚至出現圍巖結構失穩問題。

(2)圍巖穩定性較低

51102巷沿著5#煤層底板施工，5#煤頂底板巖性以泥巖、砂質泥巖為主，同時巖層中含有伊利石、蒙脫石等遇水容易膨脹巖層。巷道掘進期間遇水底板會出現底鼓問題，從而造成巷道斷面明顯縮小。從采面回采巷道掘進圍巖變形監測數據得知，巷道掘進期間底板底鼓變形量約為頂板下沉量的1.5～2.2倍。

(3)圍巖破碎

巷道掘進至斷層破碎帶內后，巷道圍巖破碎、承載能力以及穩定性較差，巷道采用原有的2.0m錨桿支護時，圍巖破碎從而無法給錨桿支護體系提供穩定的錨固端，導致錨桿支護效果較差。

3.全錨索支護技術

(1)支護原理

當巷道圍巖穩定、完整時，圍巖支護體系中錨索主要起到懸吊作用，即將巷道頂板淺部應力向深部轉移，從而控制頂板下沉量。當巷道圍巖破碎時，由于錨索給圍巖提供的加固作用明顯高于錨桿，在錨索預應力作用下可將巷道破碎圍巖加固成一個結構相對完成的承載單元，從而降低巷道圍巖變形量。

51102巷圍巖在斷層作用下破碎，在錨索護表結構共同作用下，可對巷道破碎圍巖進行加固，從而對巷道圍巖有效控制。同時相對于錨桿，由于錨索長度、強度以及預應力更大，巷道破碎圍巖內加固形成的平衡拱承載能力增強。錨索一般為柔性材料，可根據現場情況布置幾米甚至十幾米，有效控制巷道頂板下沉。因此，采用錨索控制巷道圍巖變形時，應依據巷道施工進度、施工難度結合圍巖巖性參數，合理設計支護參數，達到支護成本以及圍巖控制效果間平衡。

(2)全錨索支護設計

51102巷過F4斷層破碎帶期間采用的全錨索支護參數設計依據工程類比法確定[5-7]，具體圍巖支護時采用的材料主要有金屬網、錨索、W鋼帶等，巷道頂板采用長錨索、短錨索相結合方式控制變形；巷幫則采用錨桿控制變形。具體巷道掘進過斷層破碎帶時圍巖支護設計見圖1。

圖1 51102巷全錨索支護示意圖

頂板支護采用的錨索規格分別為φ17.8mm×12300mm、φ17.8mm×6300mm鋼絞線錨索，錨索按照1000mm×1000mm間排距布置，一排布置5個（2根長錨索、3根短錨索），頂板兩側錨索均有15°外插角。錨索采用樹脂錨固劑錨固，錨固長度為2000mm，錨索施工時提供的預緊力控制在120kN。頂板護表結構為W型鋼帶，長度為4500mm，每隔1000mm有錨索孔眼；錨索支護時采用的U型鋼長度為1200mm，并間距1000mm有錨索孔眼。通過W鋼帶、U型鋼以及錨索給巷道頂板足夠的預緊力，從而提高頂板控制效果。

巷道巷幫采用φ20mm×2400mm螺紋鋼錨桿進行支護，錨桿按照850mm×850mm間排距進行施工。在巷幫通過金屬網與錨桿結合降低變形量。

4.圍巖控制效果

為了檢驗全錨索支護圍巖控制效果，在51102巷過F4斷層期間對頂板巖層離層情況，圍巖變形量以及頂板錨索受力情況進行監測，具體錨索受力以及頂底板變形情況見圖2。

圖2 錨索受力以及頂底板變形情

從監測結果看出，頂板巖層離層量在滯后掘進迎頭約60m位置時趨于穩定，離層量值介于25～33mm，平均離層量為30mm；巷幫變形量在滯后掘進迎頭約65m時趨于穩定，變形量值介于55～60mm間，均值為58mm；頂底板巖層變形量在滯后掘進迎頭約55m時趨于穩定，變形量值介于58～67mm，均值為62mm；錨索受力在滯后掘進迎頭約10m時開始顯著增加，滯后掘進迎頭約58～80m時（其中3個測點在滯后掘進迎頭55m時達到峰值；1個測點在滯后掘進迎頭80m時達到峰值）受力達到峰值且趨于穩定，錨索平均受力達到192kN，在承載范圍內。

從全錨索支護完成后巷道圍巖礦壓顯現觀測結果得知，采用全錨索支護時巷道圍巖變形控制效果較好，可有效控制破碎圍巖變形。

5.總結

（1）巷道掘進段斷層期間，在斷層破碎帶內圍巖破碎、構造應力發育，巷道圍巖控制難度增加，采用原有的錨桿+錨索支護系統無法起到有效控制圍巖變形目的。為此，在分析斷層對巷道圍巖控制影響基礎上，提出采用全錨索支護技術控制圍巖變形，并具體對巷道過斷層破碎帶期間全錨索支護參數進行設計。

（2）現場應用后，巷道過斷層破碎帶期間頂板巖層離層量、巷幫及頂底板變形量均在安全值范圍內，全錨索支護方案有效控制了巷道周邊破碎巖層變形，現場應用取得顯著效果。