三元煤業4306 運輸順槽過斷層破碎區優化支護技術研究

秦路通

（山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046000）

斷層作為一種廣泛分布于大多數礦井的地質構造，因其上下盤沿破裂面滑移和較高的應力集中性，導致掘進巷道過斷層破碎帶時易發生較大變形而引發巷道支護結構失效，嚴重影響著巷道穩定性和安全生產[1-4]。如何確保掘進巷道過斷層破碎區時圍巖控制效果，一直是學者專家和礦山科技工作者關注的焦點問題。蘇朋基于過斷層巷道圍巖巖性，提出了“注漿+錨網噴+U 型鋼”的圍巖控制措施[5]。郭立軍通過對2041 巷過斷層期間原支護存在問題的分析，提出了“曲型梁棚+超前注漿錨索”的支護方案[6]。

針對掘進巷道過斷層破碎區時易產生較大變形和支護結構失穩的問題，以三元煤業4306 運輸順槽為工程背景，對巷道過F28 正斷層破碎區時原支護存在的問題進行分析，提出了長短錨索配合的頂板全錨索支護方案。

1 工程概況

三元煤業現主采3#煤層，煤層結構簡單，賦存穩定，厚度變化小，煤層厚度6.73～7.30 m，平均厚度7.20 m；煤層傾角-1°～10°，平均傾角6°；煤層埋深354～399 m，平均埋深376.5 m。4306 運輸順槽主要用于4306 綜采工作面運輸和通風，巷道位于3#煤四采區，東為4306運輸順槽運輸聯絡巷，南為實體煤，西為礦井邊界，北為實體煤。巷道設計長度1 322.7 m，沿3#煤層底板掘進。巷道斷面為矩形，斷面尺寸為5200 mm×3500 mm（寬×高）。巷道掘進工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

2 巷道原支護方案及問題分析

2.1 巷道原支護方案

（1）頂板支護

頂板錨桿為Ф22 mm×2400 mm 高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1150 mm×1000 mm，每排布置5 根錨桿，中間3 根垂直于頂板，兩邊錨桿向外傾斜15°，每根頂錨桿配合使用MSK2335和MSZ2360 樹脂錨固劑各1 支。頂錨桿錨固力為127 kN，預緊力矩為300 N·m。錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm 的拱型高強度托板。錨索為Ф18.9 mm×8300 mm 的1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距為2300 mm×1000 mm，每排布置2 根，均垂直于頂板打設，每根錨索配合使用1支MSK2335 和2 支MSZ2360 樹脂錨固劑，錨索錨固力不低于250 kN。錨索托板為300 mm×300 mm×14 mm 高強度可調心托板及配套鎖具。金屬網采用10#鐵絲編制而成的規格為5600 mm×1150 mm（長×寬），網孔尺寸為50 mm×50 mm 的礦用經緯金屬網。

（2）兩幫支護

兩幫錨桿為Ф22 mm×2000 mm 高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×1000 mm，每排布置8 根錨桿，兩肩窩錨桿距頂板250 mm，水平方向上斜15°布置；兩底角錨桿距底板250 mm，水平方向下斜15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫布置。每根幫錨桿配合使用MSK2335 和MSZ2360 樹脂錨固劑各1 支，錨固力為127 kN，預緊力矩為300 N·m。錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm 的拱型高強度托板。

2.2 原支護問題分析

4306 運輸順槽掘進至690 m 時揭露F28 正斷層，斷層產狀為走向N5°E，傾向S85°E，傾角40°，落差2.1 m，斷層對巷道掘進影響長度約為38 m。巷道在揭露斷層前，頂板巖層完整性較好，原支護條件下巷道圍巖控制及成形效果較好。隨著F28 正斷層被揭露，巷道掘進所產生的擾動使得掘進工作面附近圍巖應力發生重新分布，導致原本處于“膠結”狀態的斷層面被重新剪開，造成巷道頂板巖層結構斷裂、破碎程度增加，嚴重制約了巷道掘進效率，增大了巷道圍巖控制難度[1-3]。4306 運輸順槽在F28 正斷層破碎區掘進期間，在原支護條件下，巷道頂板頻繁發生網兜、掉頂現象，局部區域掉頂厚度甚至達到0.5 m 左右，且有錨桿斷裂和錨桿托盤飛出現象發生。由此可見，巷道在過F28正斷層破碎區時，原支護已不足以對巷道圍巖形成良好的控制。針對巷道過斷層破碎區圍巖變形特征，提出對巷道過斷層期間采用全錨索加強支護的圍巖控制措施。

3 巷道過斷層破碎區全錨索加強支護研究

3.1 過斷層破碎區圍巖控制原理

巷道過斷層破碎區圍巖控制時，首先應考慮的支護理論為一次高預應力加強支護理論，即在巷道支護初期就應大幅度提高支護的強度及剛度，使得破碎圍巖得到較好的控制以防止巷道掘進施工及使用期間發生較大變形[4]。此外，采用一次高預應力加強支護還具有可通過一次支護就對破碎圍巖形成較好支護，節約巷道維護成本和人工成本[5]。全錨索支護對斷層破碎區圍巖控制的優點主要體現在以下兩點：一是通過改變支護系統的預應力承載結構以提高承載體整體穩定性，同時可實現巷道深部圍巖自穩；二是通過給承載體提供較大的預緊力，將錨索、金屬網和圍巖形成一個整體結構，從而實現維護圍巖穩定的目的[7]。

3.2 全錨索加強支護設計

通常情況下，錨索長度與支護效果正相關，但錨索長度的增加不僅會增大施工難度和支護成本，還會降低巷道掘進效率。因此，在全錨索支護錨索選型時，應綜合考慮支護系統的支護性能、支護成本和巷道掘進效率[2,6]。

3.2.1 錨索長度及間排距確定

由《采礦工程設計手冊》和懸吊理論可知，錨索的長度L應滿足[2]：

式中：La為錨索深入到較穩定巖層的錨固長度，m；Lb為需要懸吊的不穩定巖層厚度，取3.83 m；Lc為托板及錨具的厚度，取0.1 m；Ld為錨索外露漲拉長度，取0.2 m；k為安全系數，取2；d1為錨索直徑，取18.9 mm；fa為錨索抗拉強度，取1860 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的粘結強度，15 N/mm2。由式（2）帶入數據知La≥1.17 m，由式（1）帶入數據知L≥5.3 m。由此可見，4306 回風順槽錨索直徑為18.9 mm 時，長度應不小于5.3 m。結合其他過斷層破碎區巷道全錨索支護研究成果，確定了4306 回風順槽過斷層破碎區時全錨索支護所采用的長錨索規格為Ф18.9 mm×8300 mm，間排距為1600 mm×2000 mm；短錨索規格為Ф18.9 mm×6000 mm，間排距為1150 mm×1000 mm。巷道兩幫支護參數和規格與原支護方案相同。全錨索加強支護具體布置情況如圖1。

圖1 全錨索加強支護斷面圖（mm）

3.2.2 錨索用錨固劑

選用Φ18.9 mm 錨索，設計施加預緊力為250 kN，要求錨固力不低于設計預緊力。錨索錨固段為泥巖、砂質泥巖等較穩定巖層，所需的錨固劑長度應滿足[5]：

式中：Lm為錨桿錨固長度，m；P0為設計錨固力，取錨索破斷載荷409 kN；C0為樹脂錨固劑粘結強度，按穩定巖層考慮，取4 MPa；R為錨索孔半徑，mm；D錨為錨索桿體直徑，取18.9 mm；D藥為樹脂錨固劑直徑。根據三元煤業實際生產條件，選取1 支MSK2335 和2 支MSZ2360 樹脂錨固劑，錨固劑總長1.55 m，錨固段長度為1.69 m，滿足錨固力250 kN 要求。

4 工業性實踐

4.1 觀測內容及測站布置

為了掌握全錨索加強支護對4306 回風順槽過F28 正斷層破碎區時的圍巖控制效果，在巷道掘進至F28 正斷層破碎區內，每10 m 布置1 組測站，分別對巷道頂板離層量、巷道表面變形量和錨索受力情況進行觀測和記錄。

4.2 觀測結果分析與評價

通過分析巷道頂板離層量、巷道表面變形和錨索受力的觀測數據，得到巷道頂板離層量曲線（見圖2）、巷道頂底板移近量曲線（見圖3）。

圖3 巷道兩幫移近量

由圖2 和圖3 可知，三個測點所觀測到的巷道頂底板及兩幫移近量隨距掘進迎頭距離的變化趨勢基本一致，即巷道頂底板和兩幫移近量隨距掘進迎頭距離的增大，呈先快速增長后趨于穩定的變化趨勢。在距掘進迎頭距離超過65 m 后，巷道頂底板和兩幫移近量分別穩定在80 mm 和100 mm 左右，巷道頂底板和兩幫移近量最大值分別為88.36 mm和101.46 mm。由此可見，4306 回風順槽過F28 正斷層破碎區時采用長短錨索配合使用的巷道頂板全錨索優化支護方案后，巷道圍巖變形得到有效控制。

5 結語

（1） 確定了頂板長錨索規格為Ф18.9 mm×8300 mm，間排距為1600 mm×2000 mm；短錨索規格為Ф18.9 mm×6000 mm，間排距為1150 mm×1000 mm。

（2）采用頂板全錨索支護方案后巷道過斷層期間礦壓顯現觀測結果表明：巷道頂底板和兩幫移近量最大值分別為88.36 mm 和101.46 mm，均在允許范圍內，巷道圍巖變形得到有效控制。