寬溝煤礦I010101上順槽掘進過斷層破碎帶全錨索支護技術(shù)研究

李 亮

（國家能源集團新疆能源有限責任公司，新疆 昌吉831200）

0 引言

隨著社會工業(yè)資源需求與供給仍不匹配[1]，同時伴隨著淺部資源的開發(fā)殆盡，在生產(chǎn)技術(shù)及管理水平不斷提高的前提下，煤礦深部資源的開采逐步發(fā)展起來；但是開采深度越深，煤層賦存的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境就愈發(fā)復(fù)雜[2]。特別是在生產(chǎn)過程中遇到的局部地質(zhì)構(gòu)造，而在這種地質(zhì)構(gòu)造中斷層的存在，對于礦井的安全高效生產(chǎn)帶來了嚴重威脅[3]。掘進巷道在穿過斷層破碎帶階段的支護問題是采煤工藝中最為復(fù)雜與困難的工程技術(shù)問題[4-7]。本文以國家能源集團新疆能源有限責任公司寬溝礦I010101上順槽掘進工作面為研究內(nèi)容，分析了全錨索支護的支護原理[8]，并提出了全錨索支護方案，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明應(yīng)用效果良好，經(jīng)濟效益顯著。

1 工程地質(zhì)基本情況

1.1 工程地質(zhì)概況

煤層賦存于中侏羅統(tǒng)西山窯組地層（J2x）中，總體形態(tài)為走向N W-SE向北傾的緩傾斜單斜構(gòu)造，巖層傾向10°～30°，傾角10°～20°。井田內(nèi)含煤9層，掘進工作面將揭露B1煤層。

B1煤層位于侏羅系中統(tǒng)西山窯組第一段（J2x1）下部，上距B2煤層間距35 m，煤層厚6.6 m，含矸0～1層，結(jié)構(gòu)簡單，煤類為31N不粘煤。煤層頂板巖性多為粉砂巖、泥巖及炭質(zhì)泥巖，有少量的粗粒砂巖；底板巖性為泥巖、粉砂巖及少量的炭質(zhì)泥巖和粗粒砂巖。

頂板巖性以粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖為主，細粒砂巖、粗粒砂巖次之，厚度0.30～34.22 m。泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖厚度為0.6～12.49 m，平均5.19 m，薄-中厚層狀，飽和抗壓強度25.01～49.00 MPa，平均35.39 MPa，彈性模量平均2.54 GPa，泊松比平均0.20，軟化系數(shù)平均0.65，強度軟弱-半堅硬，屬軟化巖石，巖體質(zhì)量壞～中等，易破碎，遇水略有膨脹，易破碎垮落，頂板維護困難。中粗砂巖和細砂巖厚度0.98～24.98 m，平均11.53 m，厚層狀，飽和抗壓強度42.69～61.3 MPa，平均52.05 MPa，彈性模量平均3.34 GPa，泊松比平均0.18，軟化系數(shù)0.71，強度半堅硬-堅硬，屬軟化巖石，裂隙節(jié)理較發(fā)育，巖體質(zhì)量中等-良，中等冒落。為易冒落～中等冒落頂板。

礦區(qū)構(gòu)造受區(qū)域構(gòu)造的影響，總體形態(tài)為走向N W-SE向北傾的緩傾斜單斜構(gòu)造。巖層傾向總體變化不大，由于南部基巖露頭煤層火燒，除局部地層巖層傾角較陡，總體來看，沿傾向和走向上產(chǎn)狀基本上沒有變化。

受區(qū)域構(gòu)造的控制，礦區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育，斷裂展布與區(qū)域構(gòu)造線一致。

根據(jù)三維地震資料及已揭露巷道情況分析：掘進前方存在局部小的地質(zhì)構(gòu)造，造成節(jié)理、裂隙發(fā)育，且掘進過程中將會揭露煤層頂?shù)装迕簬r交界處，煤巖交界處層理發(fā)育易破碎垮落，煤層頂板難控制。

1.2 研究區(qū)域斷層分布特征

礦區(qū)構(gòu)造受區(qū)域構(gòu)造的影響，總體形態(tài)為走向N W-SE向北傾的緩傾斜單斜構(gòu)造，巖層傾向14°～20°，傾角12°～16°。巖層傾向總體變化不大，除局部地層巖層傾角較陡，總體來看，沿傾向和走向上產(chǎn)狀基本上沒有變化。

工作面煤層走向大致為104°～110°，根據(jù)三維地震報告，掘進巷道周圍有1條D F1斷層（傾角60°，落差0～5 m）；在上部B2煤層I010203上順槽工作面掘進過程中揭露3條斷層（其中F11-12斷層未揭露斷層面，參數(shù)無法測定），而且在煤層中存在不少褶曲構(gòu)造及裂隙發(fā)育的破碎帶，對I010101上順槽工作面掘進有一定影響。

D F1斷層位于I010101上順槽190～250 m以北40 m處，F(xiàn)11-7斷層位于I010101上順槽820 m處,F11-10斷層位于I010101上順槽1 035 m處,F11-12斷層位于I010101上順槽1 035～1 422 m處。

在I010101上順槽掘進至D F1斷層處時掘進支護困難。煤的層間滑動、塑性形變，導(dǎo)致此處采用常規(guī)支護手段難以實現(xiàn)對巷道圍巖控制，具體見圖1。

圖1 I010101上順槽斷層示意圖

2 全錨索支護方案研究

2.1 支護原理

在破碎圍巖或者斷層破碎帶區(qū)域進行支護時，首先考慮的支護理論應(yīng)為一次高預(yù)應(yīng)力強力支護理論。該理論強調(diào)在支護系統(tǒng)的初期就應(yīng)該大幅提高支護的剛度與強度，使軟弱、節(jié)理化的巖體能夠保持圍巖穩(wěn)定性，其在施工過程中的變形能夠得到有效控制。同時采用一次高預(yù)應(yīng)力強力支護措施，能夠?qū)崿F(xiàn)使用一次支護可以達到施工要求，在最大程度上節(jié)約了人力、物力的重復(fù)使用[9]。然而實現(xiàn)一次高預(yù)應(yīng)力強力支護應(yīng)同時符合下列3個條件：①在支護初期，使用一次強力支護系統(tǒng)強度與剛度滿足設(shè)計要求，能夠?qū)﹄x層、滑動、裂隙張開等不連續(xù)變形進行有效控制，使圍巖在最大程度上保持完整；②支護系統(tǒng)延伸率滿足施工要求，支護系統(tǒng)整體的位移允許巷道圍巖能夠產(chǎn)生一定連續(xù)變形和整體位移；③支護系統(tǒng)可操作性強，能夠迅速應(yīng)用于現(xiàn)場，并實現(xiàn)快速作業(yè)。

在一次高預(yù)應(yīng)力強力支護理論中，全錨索支護的作用主要表現(xiàn)在以下2個方面：①改變支護預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，大大提高承載體穩(wěn)定性能，同時能夠?qū)崿F(xiàn)深部圍巖自穩(wěn)；②提供給承載體較大預(yù)緊力，將錨桿、錨索的支護形成一個整體，保持圍巖完整性[10]。

2.2 支護方案設(shè)計

2.2.1 原支護方案

原支護方案主要以錨桿支護為主，錨桿主要選用規(guī)格為?22 mm，長2 500 mm的左旋螺紋鋼錨桿，同時進行150 mm×150 mm冷拔絲金屬網(wǎng)配合支護。但是由于斷層構(gòu)造影響，且頂?shù)装鍘r性多以泥巖為主，掘進巷道圍巖破碎，使得巷道圍巖變形難以被錨桿支護系統(tǒng)所控制。加之施工對巷道圍巖的二次破壞，在巷道頂板及兩幫多處位置出現(xiàn)了脫錨、掉錨等多種錨桿失效形式。

2.2.2 全錨索支護方案

一般長度越大，錨索的支護效果越好。然而錨索長度的加大，施工難度及支護成本將成倍增加，同時會使掘進速度大大降低。因此，在充分發(fā)揮支護系統(tǒng)支護性能的同時，兼顧巷道維護成本，應(yīng)對錨索的規(guī)格進行計算選擇，通過計算得到2種符合條件的錨索，分別為?22 mm×8 500 mm的長錨索和?22 mm×5 000 mm的短錨索。

通過前人經(jīng)驗[11]初步確定了使用全錨索的巷道支護方案，頂板全采用7股鋼絞線錨索，選擇2種規(guī)格錨索交替配合布置，同時應(yīng)用短錨索代替錨桿，金屬網(wǎng)、Ω型鋼帶通過長錨索懸吊至老頂；間排距采用800 mm×800 mm；兩幫采用錨桿與錨網(wǎng)配合支護，支護參數(shù)及規(guī)格不變，具體布置見圖2。

圖2 全錨索支護系統(tǒng)布置方案圖

3 工程實踐

3.1 觀測內(nèi)容及測站布置

掘進過程種對巷道進行多項礦壓檢測，主要包括巷道移進情況、頂板離層距離、錨索受力情況等。

為方便觀測，使用巷道收斂變形儀對巷道兩幫及頂?shù)装逡平闆r進行監(jiān)測，每隔5 m布置1個測站，每日收集數(shù)據(jù)；使用頂板離層儀對巷道頂板離層情況進行監(jiān)測，與巷道收斂變形儀交替布置，每隔5 m布置1個測站，每日收集數(shù)據(jù)；使用錨桿測力計對錨桿進行受力監(jiān)測，每隔4架進行1次數(shù)據(jù)采集，每日收集數(shù)據(jù)。

3.2 應(yīng)用監(jiān)測與評價

通過分析巷道收斂變形儀、頂板離層儀以及錨桿測力計每日收集數(shù)據(jù)，形成了頂板離層曲線，兩幫移近量曲線，頂?shù)装逡平壳€以及錨索受力曲線，見圖3—圖6。

圖3 巷道頂板離層曲線

圖6 錨索受力曲線

1）頂板離層量。在距工作面60 m處，頂板的離層量逐漸穩(wěn)定，離層高度28～34 mm，平均為31 mm。

2）兩幫移近量。巷道兩幫變形在遠離施工作業(yè)面后逐漸趨于穩(wěn)定，距掘進面65 m處不再發(fā)生變化，此時的最大移近量為58～61 mm，平均為60 mm。

3）頂?shù)装逡平俊Ｍ瑯樱彩窃谶h離施工作業(yè)面后逐漸趨于穩(wěn)定，基本不變時距離施工作業(yè)面為45 m，頂?shù)装逡平繛?0～65 mm，平均值為62 mm。

4）錨索受力。在掘進面后方10 m位置處出現(xiàn)錨桿受力增加現(xiàn)象，在到達掘進面后方50 m處趨于穩(wěn)定，此時的錨索平均受力為190 k N。

通過收集獲取的礦壓觀測統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析可知，應(yīng)用全錨索支護，巷道表面位移能夠得到有效控制，支護效果遠好于原支護設(shè)計效果。從錨索測力計統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，錨索從預(yù)應(yīng)力50 k N，最終在施工5 d后，即施工作業(yè)面后方35 m位置處達150 k N，10 d后達190 k N左右并保持長期穩(wěn)定。

圖4 巷道兩幫移近量

圖5 巷道頂?shù)装逡平?

4 結(jié)論

1）根據(jù)I010101上順槽巷道實際地質(zhì)采礦條件，利用一次高預(yù)應(yīng)力強力支護理論，對采用全錨索支護進行了理論分析并提出支護方案，通過計算選取規(guī)格為?22 mm×8 500 mm的長錨索和?22 mm×5 000 mm的短錨索進行巷道支護，2種規(guī)格錨索交替配合布置，間排距采用800 mm×800 mm，同時應(yīng)用金屬網(wǎng)、Ω型鋼帶配合錨索進行支護。

2）利用巷道收斂變形儀、頂板離層儀以及錨桿測力計對掘進巷道礦壓進行觀測，結(jié)果表明：離層量在距工作面60 m位置處穩(wěn)定，離層高度為28～34 mm，平均值為31 mm；巷道兩幫變形在距離掘進面65 m處穩(wěn)定，最大移近量為58～61 mm，平均值為60 mm；頂?shù)装逡平吭诰嚯x45 m處不再變化，頂?shù)装逡平繛?0～65 mm，平均值為62 mm；錨索受力在施工5 d后達150 k N，10 d后達190 k N左右并保持長期穩(wěn)定。全錨索支護能夠提高圍巖破碎巷道的支護強度，并且能夠使巷道維持長期穩(wěn)定。