巷道掘進過斷層全錨索支護技術(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]。巷道掘進時會遇到構(gòu)造特別是斷層時，在斷層破碎帶影響下圍巖控制難度較高[3]。以山西某礦5306 運輸巷掘進過斷層為工程背景，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 號煤，煤層傾角8～15°，厚度3.9 m，埋深500 m。5 號煤層粉砂巖（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 號煤，切眼斜長180 m、回采巷道長2 500 m。現(xiàn)礦井正掘進5306 運輸巷，該巷道斷面為矩形，寬4.2 m、高3.0m，預(yù)計巷道掘進過程中會揭露F303（H=3.2～5.9 m，186°∠73°），受斷層影響圍巖破碎。

2 斷層破碎帶對圍巖控制影響

2.1 巷道原支護體系分析

5306 運輸巷支護采用錨網(wǎng)索+W 鋼帶支護形式，具體支護參數(shù)為：頂板采用Φ22 mm×2 400 mm錨桿并配合W 鋼帶（長×寬×厚=4 200 mm×220 mm×3 mm）支護，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1 200 mm，按照1 400 mm×1 700 mm 間排距布置。巷幫支護采用錨桿+金屬網(wǎng)支護方式。具體支護設(shè)計見圖1。

由于巷道掘進時頂?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而且遇水時圍巖容易風(fēng)化，巷道圍巖在斷層影響下圍巖破碎。巷道頂板錨桿支護時采用的擰緊力矩為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法緊密接觸，弱化圍巖支護效果。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)圍巖支護體系中錨索失效數(shù)量遠小于錨桿數(shù)量。

圖1 巷道原支護設(shè)計示意圖（單位：mm）

2.2 巷道錨桿支護體系失效原因

2.2.1 構(gòu)造應(yīng)力

根據(jù)相關(guān)研究成果發(fā)現(xiàn)，巷道掘進過正斷層、逆斷層時殘余構(gòu)造應(yīng)力主應(yīng)力分別為垂向方向、水平方向。當巷道掘進過斷層破碎帶時，在掘進影響下圍巖應(yīng)力會重新分布[4]。當巷道圍巖支護提供的支撐力無法抵抗圍巖應(yīng)力時則會使得圍巖嚴重變形。

2.2.2 圍巖巖性

5306 運輸巷圍巖為粉砂巖、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)力以及巷道掘進應(yīng)力影響下，圍巖控制難度較大。

2.2.3 頂板下沉

5306 運輸巷埋深平均達到500 m，地應(yīng)力相對較大。巷道頂板巖層中含有較高的泥巖成分，遇水時容易膨脹變形。頂板在水以及垂向應(yīng)力聯(lián)合作用下導(dǎo)致下沉，對巷道頂板下沉量觀測發(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，巷道原支護體系中錨桿遇斷層破碎帶支護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 全錨索支護設(shè)計

3.1 全錨索支護機理

當巷道圍巖結(jié)構(gòu)完整時，錨索在支護體系承擔懸吊作用，從而減低巷道頂板相對位移量；當巷道圍巖破碎且錨索支護密度較高時，由于錨索預(yù)緊力相對較高，可將破碎圍巖加固形成一個相對承載能力較強的整體，從而減少巷道過斷層破碎帶時圍巖變形[5-7]。

5306 運輸巷頂頂板巖性為強度較低、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)力相對較弱的松散體。而對于該類型松散體采用錨索以及護表結(jié)構(gòu)進行加固，可在圍巖塑形破壞區(qū)內(nèi)形成強度較高的平衡拱，實現(xiàn)對頂板巖層的有效支撐。

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

3.2 全錨索支護參數(shù)

在對全錨索支護施工時，應(yīng)綜合巷道圍巖支護效果、支護成本、支護時間以及施工難度，對全錨索支護參數(shù)進行設(shè)計，即能滿足圍巖控制需要又可降低支護成本。

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

由于巷道過斷層破碎帶時巷幫位移量不大，為此保持巷幫支護參數(shù)不變。

3.3 圍巖控制效果分析

為了考察全錨索支護過斷層破碎帶圍巖控制效果，對圍巖變形量及錨索受力進行監(jiān)測。

1）頂板巖層在滯后掘進迎頭約60 m 時（支護完成12 d 時）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迎頭約65 m 時趨于穩(wěn)定，變形量在55～60 mm、平均58 mm。

圖2 全錨索支護示意圖（單位：mm）

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

4 結(jié)論

1）5306 運輸巷掘進過斷層破碎帶時受到巷道圍巖破碎、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)索支護方式由于圍巖破碎且含有大量的粘土導(dǎo)致錨桿失效嚴重，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方式對斷層破碎帶圍巖進行控制，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。