汾源煤業5-1021 巷過斷層支護技術研究

田 超

（霍州煤電集團汾源煤業有限公司，山西 靜樂 034000）

1 工程概況

霍州煤電集團汾源煤業5-1021 巷沿5#煤層頂板掘進，埋藏深度378～410 m，設計長度632 m。5#煤層傾角23°～27°，平均25°，平均煤厚15.45 m。

5-1021 巷傾角為20°，斷面為矩形，掘寬4.4 m，掘高3.1 m，掘進斷面13.64 m2。工作面掘進范圍內構造情況簡單，左幫為煤，右幫基本為泥巖，頂板多為泥巖和泥質灰巖，底板多為泥巖和粉砂巖，頂板完整性較好。預計5-1021 巷掘進過程中將揭露兩條斷層，H1=2.5 m（斷上）、H2=15 m（斷下），由于斷層對工作面的掘進和支護會產生一定影響，因此需制定安全有效的支護措施。

2 支護方案設計

2.1 斷層對掘進巷道的影響

斷層在形成時，會導致應力重分布[1]，地應力的分布將會有所變化，大主應力σ1=γH，為垂直應力，中主應力σ2和小主應力σ3為水平，此時σ2和σ3均會有一定程度的增大。主應力方向如圖1。

圖1 巷道走向與主應力方向示意圖

由圖1 可知，當巷道掘進至斷層處時，水平應力σ2和σ3均會增大，此時巷道兩幫將會產生應力集中效應[2]。當巷道掘進方向與斷層面垂直時，巷道兩幫的應力和變形均為對稱式發展，此時不易產生應力集中效應。

圖2 所示為巷道掘進方向與斷層位置示意圖。由圖2 可知，當巷道由斷層下盤方向向斷層上盤方向掘進時（圖2 中①所示方向），巷道頂板先通過斷層，此時巷道易發生冒頂情況，而后底板再經過斷層，底板可能會有一定程度的塌陷。因此需先后對巷道頂板、底板依次進行支護加固。反之，當巷道由斷層上盤方向向斷層下盤方向掘進時（圖2 中②所示方向），需先后對巷道底板、頂板依次進行支護加固。

圖2 巷道掘進方向與斷層位置示意圖

2.2 順槽巷道過斷層支護設計

（1）支護方案

由于矩形巷道在巷幫與頂板交接處易產生應力集中，且在經過斷層時更易發生冒頂現象，不利于巷道的掘進和支護。因此，計劃將原先設計的矩形斷面更改為半圓拱形斷面，初次支護為“注漿錨索+金屬網+錨桿+初噴混凝土”，二次支護設計為“U型鋼支架+復噴混凝土”。

將順槽巷道的斷面尺寸更改為：原矩形巷道的下半部保持不變，上半部分改為半圓形，即巷道掘寬不變，掘高改為2.2+1.5=3.7 m。巷道斷面圖如圖3。

圖3 巷道斷面及支護方案示意圖

此支護方案有以下優點：初次支護中，通過注漿錨索向四周圍巖體注入水泥漿液，既使得錨索的支護作用大大提高，而且在圍巖體中擴散的水泥漿液也會與圍巖體粘結為一體[3]，使得圍巖體的承載能力和穩定性都有所提高，增強巷道支護效果。初支中的“金屬網+錨桿”支護，結合復支中的U 型鋼支架支護，使得巷道的變形能夠在很大程度上得到控制，進一步提高了圍巖體的承載力和穩定性。

（2）支護參數

支護參數包括注漿錨索和錨桿的排間距、材料以及混凝土噴層的配比、厚度等參數。

① 注漿錨索

根據現場情況和施工經驗確定注漿錨索的參數見表1。

表1 注漿錨索參數表

② 錨桿

由懸吊理論[4]可知，錨桿的計算長度l 的表達式為：

式中：l1為外露長度，m；l2為有效長度，m；l3為錨固長度，m。

根據經驗可取l1=0.15 m，l3=0.65 m。

對于頂板錨桿，l2等于冒落拱的高度h，其計算公式為：

式中：k 為修正系數，取k=1.5；n 為計算系數，取n=0.22；α0為半圓拱所對應的角度，取α0=180°；l0為巷道掘寬，l0=4.4 m。

將以上參數代入式（2）計算得h=1.4 m，則l2=h=1.4 m。

則 錨 桿 的 計 算 長 度 為：l=l1+l2+l3=0.15+1.4+0.65=2.2 m。

根據錨桿錨固力的計算公式，有：

式中：Q 為錨固力，kN，可根據材料和經驗取值；σt為錨桿抗拉強度，MPa；d 為錨桿直徑，m。

根據經驗取Q=100 kN，σt=350 MPa，根據式（3）可計算得錨桿的直徑d=0.019 m，取d=20 mm。

錨桿間距的計算公式為：

式中：s 為錨桿間距，m；c 為巖體粘聚力， kN/m2；γ 為圍巖體容重，kN/m3。

取c=11.2 kN/m2，γ=18.9 kN/m3，則 根 據 公 式（4）得錨桿的間距s=0.57 m，取錨桿間距為0.6 m。取錨桿排距為0.6 m，則錨桿的布置為0.6 m×0.6 m方形布置。在斷層附近，錨桿可適當加密。

③ 混凝土噴層

每立方米砼中各材料用量為：水泥480 kg，水250 L，砂0.7 m3，石子0.8 m3，速凝劑14 kg。取噴層厚度0.2 m，其中初次支護和二次支護各噴0.1 m。

④ 金屬網

金屬網所用鋼筋直徑為8 mm，鋼筋的排間距均為0.1 m，即金屬網格的規格為0.1 m×0.1 m。

⑤ U 型鋼支架

U 型鋼支架選用“直腿+半圓拱”型支架，斷面內為4 個節點、5 段支架。

3 施工技術及監測方案

3.1 施工技術

由以上分析可知，當巷道掘進方向與斷層走向垂直時，巷道兩幫水平應力較小，可減少應力集中現象的發生，對巷道支護有利，因此巷道掘進應盡量選擇與斷層走向垂直的方向。在斷層處易發生冒頂即底板塌陷情況，因此應加強支護。具體施工步驟如圖4。

圖4 巷道過斷層施工步驟

3.2 監測方案

監測方案主要分為兩個部分：頂板離層監測和圍巖變形監測。

（1）頂板離層監測

在巷道頂板中心位置處安裝離層儀，對頂板的離層情況進行監測。根據監測結果，距離斷層最近的測站讀數最大，淺基點讀數為8 mm，深基點讀數為12 mm。由監測結果可知，頂板離層得到非常有效的控制，說明巷道支護效果良好。

（2）圍巖變形監測

分別在斷層位置處和在距離斷層位置7 m 處各布置1 個測站，安裝數顯收斂計用以監測圍巖表面的變形量，每個斷面布置4個測力計。根據監測結果，斷層位置處的測站讀數最大，即最靠近斷層的圍巖變形量最大。測力計讀數如圖5。

圖5 斷層位置圍巖表面變形量

由監測結果可知，斷層位置處巷道左右兩幫最大移進量分別為7.79 mm、12.05 mm，最大底鼓量和最大頂板下沉量分別為1.48 mm、20.87 mm，圍巖表面雖出現較大變形情況，但滿足支護要求。

4 結論

針對斷層對巷道掘進和支護的影響，有針對性地提出5-1021 巷過斷層支護方案，并對巷道頂板離層和圍巖表面變形等情況進行監測。結果表明：在斷層處巷道頂板離層量最大、圍巖表面變形量最大，說明斷層對巷道圍巖的穩定性具有很大程度的影響。但通過對巷道圍巖進行支護后，這些參數都在可接受范圍內，說明支護設計使得巷道圍巖的穩定性得到了有效保障。