高水平應力巷道破碎帶支護技術研究

文/李廣俊

高水平應力巷道破碎帶支護技術研究

文/李廣俊

山西省長治經坊煤業有限公司隸屬于山西煤炭進出口集團控股管理，經多次改、擴建后現生產能力240萬t/a，目前開采3號煤層，井田面積30.7422km2。隨著3號煤層八采區開采水平的不斷延伸，煤層賦存深度達到了450m。西二集中大巷為八采區開拓巷道，設計沿N75°W方向布置有回風、運輸和軌道三條大巷。其中，西二集中軌道掘進過程中揭露斜交斷層三條，加之北側F7-2斷層走向N73°W，H=11.2m∠75°。受斷層的影響，巷道圍巖破碎、易風化，巷道穩定性極差。本文結合經坊煤業西二集中運輸大巷地應力和地質構造特征，提出了合理的巷道支護方案。該技術有效地控制了巷道破碎帶圍巖變形量，取得了較好的技術效果和經濟效益，對類似地質條件巷道支護具有推廣及借鑒價值。

一、地質情況概述

3號煤層位于山西組中下部，煤層厚度3.27～7.95m，平均6.02m，煤層結構較簡單。直接頂為炭質泥巖，平均厚度6.65m，層理較發育。基本頂為粉砂巖，平均厚度3.55 m，膠結堅硬，強度較大。直接底為砂質泥巖（局部相變為炭質泥巖），平均厚度5.53m，層理發育。基本底為細砂巖，平均厚度3.82m，硅質膠結，致密堅硬。下層夾矸一般距煤層底板0.80～1.10m左右。

井田位于晉城～獲鹿斷褶帶與武鄉～陽城凹褶帶之間，受區域構造帶的控制，地層傾角小于15°，井田總體為一向北西傾伏的單斜構造。井田內落差大于20m斷層4條，均為高角度正斷層；落差大于等于5m小于20m的斷層21條；陷落柱發育20條。

3號煤層西二集中大巷應力測試結果顯示：應力場類型為σH＞σV＞σh型；最大水平主應力為20.45MPa，最小水平主應力為11.44MPa；垂直應力為13.75MPa；最大水平主應力方向為N16.9°E，與西二集中大巷掘進方向夾角85°。

根據西二集中大巷高水平應力區域井下鉆探過程，揭露煤層直接頂、基本頂、直接底、基本底體積節理數，結合所取巖芯的RQD指標、所取巖芯的節理裂隙發育程度及圍巖分類指標，初步判定該區域巷道圍巖巖體完整性系數分別為：基本頂0.55～0.35；直接頂0.20～0.40；直接底0.35～0.15；基本底0.55～0.35。綜合3號煤層頂底板巖層巖石力學參數，判定該高水平應力區域圍巖分類級別屬于IV類層間結合不良的薄層、中厚層和軟硬巖互層結構。

二、影響破碎圍巖變形破壞的因素

地下工程巷道開挖前，圍巖原巖處于原始三向應力平衡狀態。隨著巷道開挖和擾動，原巖應力平衡狀態遭到破壞，新應力的重新分布引起了圍巖的變形和破壞。受賦存深度、地質構造及地應力的影響，圍巖破碎帶巖體松散、承載能力差，變形破壞嚴重，給圍巖控制帶來諸多不便。通過對經坊煤業西二集中運輸大巷破碎帶圍巖變形、破壞研究，認為影響該巷道變形破壞的主要因素有：

1.受構造應力和巷道開挖的作用，原巖體內產生破斷和裂隙。當應力重新分布時，巖體會沿斷裂面出現剪切變形破壞，導致了圍巖自承能力降低，這是巷道變形破壞的主要因素之一。

2.經坊煤礦西二集中大巷平均埋藏深度430m，垂直應力達13.75MPa。隨著巷道開挖，圍巖原始應力平衡狀態遭到破壞，巖體內出現應力重新分布和應力集中。當集中應力超過巷道支護強度時，巷道變形加劇；嚴重時常引起巷道失穩。

3.掘進巷道穿越高水平應力區域時，原巖應力平衡狀態遭到破壞，巷道兩幫變形破壞明顯加劇。當巷道掘進方向與水平應力方向垂直時，變形破壞達到最大值。

4.西二集中運輸大巷受斷層和平緩褶曲構造應力的影響，圍巖巖體內積聚一定的構造應力，是巷道變形破壞的重要因素之一。

三、支護設計

1.支護形式和參數選擇原則

結合經坊煤礦西二集中軌道大巷破碎帶圍巖變形破壞特點，其支護形式和參數選取主要遵循以下原則：

(1)一次性支護原則。由于巷道服務年限較長，一次性有效控制圍巖變形，選用聯合支護充分發揮支護效果，是安全生產和降低巷道維修成本的要求。

(2)高預應力原則。預應力參數選取是區分主動支護和被動支護的關鍵因素，高預應力充分發揮支護的主動性，是提高錨固體整體性和完整性的要求。

(3)可操作性和經濟合理原則。支護形式的選擇還應與井下施工條件相適應，在保證巷道支護效果和安全的條件下，做到經濟合理，有利于巷道支護成本控制。

2.支護設計

根據西二集中大巷破碎帶地應力和圍巖變形破壞特征，在上述支護形式和參數原則的基礎上，破碎帶圍巖支護采用“錨網+U型架+噴漿”的聯合支護方式。

支護參數如下：

(1)錨桿：錨桿采用φ22× 2400mm左旋螺紋鋼錨桿，間、排距都為800×800mm。預緊力矩300N· m，錨固力為120KN。

(2)錨索：采用φ22×6500mm，19股高強度低松弛預應力鋼絞線，間、排距為2500×1800mm，預應力150KN，錨固力為300KN。

(3)樹脂錨固劑：MSK2335和MSZ2360型樹脂錨固劑配合使用。

(4)金屬網規格：金屬網使用10#鐵絲制作的經緯金屬網，網格為50×50mm。

(5)鋼筋梁：鋼筋梁用φ14圓鋼制作，規格：頂鋼筋梁80× 5100mm；幫鋼筋梁80×3100mm。

(6)托盤：錨桿托盤采用150× 150×10mm拱形高強度金屬托盤，配合球形墊和減阻尼龍墊圈，托盤拱高要求大于36mm，承載能力不低于230KN；錨索托盤采用300× 300×20mm金屬托盤，鎖具采用KM-22。

(7)U型架：選用29U型鋼分三段搭接制作，搭接長度不小于450 mm，U型架間采用Ф18鋼筋鉤連接，U型架排距1000mm。

(8)噴漿：噴射混凝土強度為C25，厚度120mm。

四、巷道圍巖變形觀測及結論

高應力區域巷道掘進過程中，采用十字布點法，每10m安設一個表面位移測站。觀測方法為：在C、D之間拉緊測繩，A、B之間拉緊鋼卷尺，測讀AO、AB值；在A、B之間拉緊測繩，C、D之間拉緊鋼卷尺，測讀CO、CD值；測量精度要求達到1mm，并估計出0.5mm；采用皮卷尺測量監測斷面距掘進工作面的距離。測量頻度為安裝完成后7天時間內每天進行觀測，超過安裝7天后每周進行觀測一次。十字布點法如下圖所示。

十字布點法

圍巖變形觀測結果分析表明：巷道開挖1～5天期間為圍巖彈塑性變形階段；6～11天期間為圍巖蠕變階段；11天以上為圍巖變形穩定階段。因此，“錨網+U型架+噴漿”的聯合支護方式滿足了巷道安全施工及工程質量驗收要求。

（作者單位：山西省長治經坊煤業有限公司）

（責任編輯：周瓊）