掘進巷道過斷層破碎帶支護設計優化

張青杰

（霍州煤電集團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，在開采煤層地質構造發育復雜的巷道時，斷層處理技術非常關鍵。斷層是開采上下煤層受圍巖應力擠壓，失穩造成的，嚴重破壞了煤巖層的整體穩定性，給巷道支護增加了困難，降低了巷道掘進速度。巷道掘進過程中，在遇到斷層時由于巷道頂板離層、破碎，采用傳統的巷道支護方式，巷道的整體錨固性差，易發生冒頂的現象。隨著時間的推移，斷層部位的圍巖應力逐步增大，傳統的支護方式難以支撐頂板巖層，導致破碎帶頂板成層狀破碎并不斷向巷道頂板的深部擴散，引發大面積的巷道頂板漏頂。為此，國內諸多學者開展相關研究，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，巖石裂隙發育，易導致頂板冒頂的情況，對原有的巷道支護技術進行優化設計，設計采用了超前綜合支護技術，為掘進巷道過斷層支護提供參考。以白龍礦10-312 工作面掘進巷道為工程背景，對巷道過斷層頂板破碎的支護方式進行優化設計，有效保證礦井的安全生產。

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，井田面積31.65 km2，設計生產能力120 萬t/a，采煤工藝采用綜合機械化沿煤層頂底板一次性回采走向長壁采煤技術。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，煤層結構系數為1.4，屬地質構造較復雜煤層，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 頂底板情況

巷道頂底板巖性情況見表1。

表1 巷道頂底板巖性情況

1.3 地質構造

10-312 工作面地質構造較復雜，為單斜構造區，其產狀總體為走向北東，傾向北西，傾角平均8°。10-312 運輸巷現掘進至A15 點前91 m，根據現場地質情況分析，工作面揭露1 條落差H=10 m 的下跳正斷層。

2 原支護方案分析

2.1 原支護參數

2.1.1 斷面尺寸

巷道在掘進期間，前期為矩形斷面設計施工，為提高巷道支護的穩定性，優化設計為“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 支護參數

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“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、幫均要求鋪設長×寬=2 mm×1 m的鋼筋網，網與網搭接，搭接深度100 mm，聯網距不大于250 mm，聯網絲扭結不少于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布置如圖1 所示。

圖1 10-312 回采巷道過正斷層支護布置（單位：mm）

2.2 原支護方案的理論分析

經過現場動態監測發現，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硬的灰巖，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象。

研究發現在現有支護中，頂板錨桿、錨索布置過于集中。錨桿、錨索間排距較小，支護過于密集，高密度的設置錨桿和錨索，不僅增加了錨桿的鉆孔深度，而且降低了巷道掘進速度；還有較密集聯合支護方式在一定程度上會對巷道圍巖的穩定性造成破壞，導致巷道圍巖無法充分發揮自承能力。由此可見，在過此類距離較長的巖層巷道，現有的支護方式費時費力，不僅對圍巖的支護效果并沒有更多積極作用，還會形成支護冗余，支護材料浪費的現象，所以要合理經濟地實現支護最優化[4]。

3 優化支護研究

3.1 斷層破碎帶鉆孔窺視

對于10-312 運輸巷地質變化區進行取點鉆孔窺視，分別取A、B、C 三個點。C 點處頂板為4.2 m 煤連接0.8 m 巖層，煤體完整性較好，松動圈范圍約為1 m，無明顯裂隙。A 點處幫部在測試深度范圍內為煤層，無巖石，幫部圍巖破碎程度較高，松動范圍約2 m，在1.2 m 深度范圍內，有較大裂隙出現，在0.7 m 范圍內鉆孔完整度較差，判斷為巷道幫部法向裂隙，寬度約1 cm。B 點處頂板為地質變化區，從外到內為煤-巖-煤分布，長度分別為0.1 m、1.1 m、0.5 m，松動圈范圍為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 運輸巷過下跳斷層段巷道，在B、C 兩點屬于過斷層構造的巖層破碎帶。可見C 點幫部裂隙較多，甚至出現大裂紋，寬度在0.5～3 cm，B 站頂板全段裂隙很多，松動范圍也較大。推斷認定為過斷層圍巖破碎帶，巖性極差，開挖造成的圍巖擾動，所以在巷道進斷層初見巖、出斷層初見煤時，在斷層破碎帶應加強支護，錨桿錨索長度及支護密度應根據圍巖性質和現場圍巖的破碎程度做適當的合理性調整。

2）10-312 運輸巷地質變化區下傾前頂板較差，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，本次觀測的斷層構造帶無涌水現象，帶對于過斷層破碎帶應警惕突水事故的發生。

3.2 優化支護方案

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；其他支護參數保持不變，優化后的支護布置見圖2。

圖2 10-312 回采巷道過正斷層優化支護布置圖（單位：mm）

3.3 錨桿、錨索預緊力的確定

錨桿的預應力是實施張拉時所施加的預應力。而錨桿、錨索的預緊力主要是安裝施工錨桿、錨索過程中，借助螺母對錨桿、錨索施加所產生的主動扭矩，來實現主動支護效果。巷道支護時在安裝錨桿的過程中，對螺母施加的力矩直接轉變為對錨桿桿體所施加的軸向拉力。錨桿預應力的計算主要是錨桿預緊力和錨桿桿體橫截面積對比值。錨桿的主動支護系數則是錨桿預應力和錨桿桿體屈服強度的對比值。白龍礦所用螺紋鋼錨桿直徑Φ20 mm，預緊力應為37.7～62.8 kN。

錨桿尾部螺母承受的預緊扭矩與錨桿預緊力的關系為：

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

10-312 工作面巷道掘進期間所采用Φ17.8 mm錨索預應力應達到150～180 kN，Φ20 mm 直徑螺紋鋼錨桿預緊扭矩不低于286.5 N·m。

4 結語

通過以上研究，對于下跳斷層過巖層巷道，圍巖較為穩定，破壞程度較低，原有巷道支護密集，這導致在巷道掘進期間的支護耗時耗力，影響掘進效率的同時，多余的巷道支護構件極有可能破壞巷道圍巖的整體性，優化支護方案與原支護方案相比，降低支護成本，提高支護掘進速度的同時，依然可以保證巷道在掘進過程中的安全穩定性。