望云煤礦開(kāi)拓大巷穿越斷層破碎帶支護(hù)研究

梁 彬

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城 048411）

1 工程概況

為形成望云煤礦礦井北部開(kāi)拓生產(chǎn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了15#煤層北翼軌道大巷，掘進(jìn)長(zhǎng)度1062 m（平距）。15#煤層厚度5.3～5.64 m，為穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。基本頂為K2 灰?guī)r，厚度5.72～6.66 m，直接底為鋁土質(zhì)泥巖，厚度5.64～8.1 m，質(zhì)軟，易碎。根據(jù)巷道布置及上覆3#煤層井巷揭露情況，北翼軌道大巷待掘段里程94 m 處將揭露F15 正斷層，里程371 m處揭露F16 正斷層，里程647 m 處揭露F18 正斷層。根據(jù)東區(qū)3#煤層采空區(qū)積水物探勘查報(bào)告中描述，這些斷層為導(dǎo)水性較弱斷層，在井田內(nèi)延伸長(zhǎng)度不明，預(yù)計(jì)會(huì)對(duì)掘進(jìn)造成一定影響。為保障巷道通過(guò)斷層期間施工安全及斷層處巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定，對(duì)其支護(hù)方案進(jìn)行研究。

2 北翼軌道大巷支護(hù)及松動(dòng)圈實(shí)測(cè)

2.1 北翼軌道大巷原支護(hù)

北翼軌道大巷為直墻半圓拱斷面，凈寬5.4 m、凈高4.1 m。頂錨索布置：錨索規(guī)格Ф17.8 mm×7300 mm，采用“2-0-2”布置，間距1800 mm，排距2000 mm，配套300 mm×300 mm×16 mm 的鋼托板和長(zhǎng)250 mm 的14#槽鋼梁，錨固劑型號(hào)MSCKa2335/MSZ2360。頂錨桿間距900 mm，排距1000 mm，錨桿以半圓拱形巷道圓心為起點(diǎn)向拱墻呈放射性打設(shè)，每排8 根；高強(qiáng)螺紋鋼錨桿規(guī)格Ф20 mm×2100 mm，錨固劑型號(hào)MSCKa2335/MSZ2360；采用6#鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)格100 mm×100 mm，網(wǎng)片2000 mm×1200 mm，采用搭接方式聯(lián)網(wǎng)，搭接長(zhǎng)度為200 mm，用14#鉛絲雙絲雙扣，雙排隔孔相聯(lián)，扭結(jié)三圈以上。幫錨桿布置：錨桿間距800 mm，排距1000 mm，錨桿為Ф20 mm×2100 mm 螺紋鋼錨桿；采用6#鋼筋網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)格100 mm×100 mm，網(wǎng)片2000 mm×1200 mm，采用搭接方式聯(lián)網(wǎng)，搭接長(zhǎng)度為200 mm，用14#鉛絲雙絲雙扣，雙排隔孔相聯(lián)，扭結(jié)三圈以上。底板硬化：底板硬化厚度為200 mm，混凝土強(qiáng)度為C20。墻基礎(chǔ)：墻基礎(chǔ)深度為100 mm。

2.2 松動(dòng)圈現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為掌握斷層構(gòu)造影響下巷道圍巖松動(dòng)圈發(fā)育特征[1]，在北翼軌道大巷即將揭露F15 正斷層時(shí)，設(shè)計(jì)采用鉆孔成像技術(shù)進(jìn)行松動(dòng)圈實(shí)測(cè)。窺視鉆孔由直徑28 mm 的鉆頭施工，頂板、兩幫各布置一個(gè)鉆孔，頂板孔深5 m，幫部孔深3 m。共設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)站，采用CXK28 礦用鉆孔成像儀觀察鉆孔內(nèi)裂縫發(fā)育情況。以距F15 正斷層5 m 的1#測(cè)站頂板窺視孔為例，其典型的觀測(cè)情況如圖1。深度0.34 m 處存在較多的小型空洞，深度0.73～1.19 m 范圍內(nèi)存在較多的環(huán)向及縱向裂隙，深度1.68 m 處存在較大的空洞，圍巖破碎嚴(yán)重，深度1.98 m 處存在縱向裂隙，深度大于1.98 m 后，圍巖無(wú)明顯的裂隙，鉆孔孔壁光潔完整，由此判斷此處松動(dòng)圈范圍約為1.98 m。采用該種方法依次進(jìn)行各測(cè)站、各部位圍巖裂隙發(fā)育情況的探查，總結(jié)各處松動(dòng)圈發(fā)育深度詳見(jiàn)表1。

圖1 窺視結(jié)果示意圖

巷道與斷層距離越近，圍巖松動(dòng)圈范圍越大。1#測(cè)站距迎頭最近，松動(dòng)圈平均發(fā)育深度為1.84 m，5#測(cè)站距斷層最遠(yuǎn)，松動(dòng)圈平均發(fā)育深度為1.15 m。斷層構(gòu)造附近松動(dòng)圈范圍相對(duì)于正常巷段擴(kuò)大了0.69 m，屬于大松動(dòng)圈巷道。

3 巷道支護(hù)方案優(yōu)化

北翼軌道大巷原錨桿、錨索支護(hù)方案是基于組合拱理論、懸吊理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于斷層構(gòu)造影響下，巷道松動(dòng)圈發(fā)育范圍增大，由中小松動(dòng)圈變?yōu)榇笏蓜?dòng)圈巷道，屬于Ⅴ類不穩(wěn)定圍巖，原有支護(hù)參數(shù)已不合理。原設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度2.1 m，斷層附近松動(dòng)圈發(fā)育深度已達(dá)到1.98 m，由此將錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化為2.6 m。松動(dòng)圈大小與錨桿間排距關(guān)系[2]如式（1）：

式中：Lp為松動(dòng)圈發(fā)育深度，m；b為組合拱厚度，松動(dòng)圈為200～250 cm 時(shí)，組合拱經(jīng)驗(yàn)值為1.0～1.2 m；α為錨桿控制角，取45°。預(yù)計(jì)斷層構(gòu)造附近松動(dòng)發(fā)育范圍可達(dá)2.0 m，由此設(shè)計(jì)組合拱厚度1.2 m，根據(jù)式（1）可反推計(jì)算錨桿間排距a=（Lp-b）tan45°=0.8 m，且錨桿間排距應(yīng)小于其長(zhǎng)度的1/2，即錨桿間排距應(yīng)小于1.3 m，因此取錨桿間排距為0.8 m。組合拱支護(hù)理論示意圖如圖2（a）。

圖2 組合拱理論及北翼軌道大巷支護(hù)示意圖

北翼軌道大巷服務(wù)年限預(yù)計(jì)為25～30 a，為保障斷層處巷道圍巖的長(zhǎng)久穩(wěn)定，設(shè)計(jì)支護(hù)形式的基礎(chǔ)上增設(shè)U 型鋼可縮性支架，并在支架間復(fù)噴混凝土，由此提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，為斷層破碎區(qū)圍巖提供支護(hù)反力，控制巷道表面的變形。鋼支架采用三節(jié)U25 鋼拼接構(gòu)成，支架間距0.8 m，棚腿下端焊接一塊300 mm×300 mm×10 mm 的鋼板。綜上，設(shè)計(jì)北翼軌道大巷過(guò)斷層期間支護(hù)方案如圖2（b）所示，支護(hù)形式為“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+噴砼+可縮性U 型鋼支架+復(fù)噴砼”聯(lián)合支護(hù)。

4 支護(hù)效果模擬研究

為探究上述支護(hù)方案的合理性，根據(jù)北翼軌道大巷工程地質(zhì)條件，運(yùn)用FLAC 軟件針對(duì)斷層構(gòu)造帶巷道開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)行模擬研究[3-4]。建模尺寸100 m×80 m×110 m，底板30 m，頂板67.4 m，15#煤層厚度5.5 m，巷道沿煤層頂板布置。模型由左邊界至右邊界依次布置邊界煤柱、巷道、邊界煤柱，巷道寬度為5.4 m，直墻高度1.4 m，半圓拱半徑2.7 m，斷層走向N8°W，傾向N82°E，預(yù)測(cè)傾角約75°，落差10 m，兩盤之間核心破碎帶寬度2.5 m。表面噴層支護(hù)采用Elastic 實(shí)體單元進(jìn)行模擬，U 型鋼支架采用beam 單元進(jìn)行模擬，錨桿、錨索采用cable 單元進(jìn)行模擬。支護(hù)模擬詳見(jiàn)圖3。

圖3 巷道支護(hù)模擬方案示意圖

截取巷道位于斷層破碎帶內(nèi)圍巖塑性區(qū)分布情況如圖4 所示。原有支護(hù)條件下，頂板正上方巖層塑性破壞深度2.0 m，肩角處圍巖塑性破壞深度達(dá)到5.0 m，兩幫塑性破壞深度達(dá)到2.75 m，底角圍巖塑性破壞深度達(dá)4.5 m，巷道圍巖整體破壞較嚴(yán)重。優(yōu)化支護(hù)方案條件下，頂板正上方巖層塑性破壞深度1.0 m，肩角處圍巖塑性破壞深度3.0 m，兩幫塑性破壞深度達(dá)到1.75 m，底角圍巖塑性破壞深度達(dá)2.5 m，相較于原支護(hù)條件下，圍巖塑性區(qū)發(fā)育范圍和深度整體減小約50%。監(jiān)測(cè)巷道表面位移量結(jié)果表明，優(yōu)化方案條件下，圍巖變形量較原支護(hù)方案條件下減小65%以上，故此支護(hù)形式肯定能保證斷層附近巷道圍巖穩(wěn)定。

圖4 圍巖塑性破壞區(qū)模擬結(jié)果

5 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

15#煤層北翼軌道大巷穿越斷層破碎區(qū)域位置前后10 m 采用上述“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+噴砼+可縮性U 型鋼支架+復(fù)噴砼”支護(hù)方案，短掘、短支快速穿越斷層構(gòu)造帶，斷層處布置表面位移量測(cè)站，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。巷道開(kāi)挖前7 d 變形達(dá)到總變形的70%以上，21 d 后圍巖漸漸趨于穩(wěn)定，頂板下沉量18.8 mm，底鼓量13.6 mm，兩幫累計(jì)移近量18.6 mm。掘巷圍巖穩(wěn)定后，巷道表面變形量微小，變形速率均趨于零，巷道安全穩(wěn)定性良好，故此支護(hù)形式保證了斷層附近巷道圍巖穩(wěn)定。

圖5 過(guò)斷層期間圍巖變形曲線

6 結(jié)論

1）北翼軌道大巷即將揭露F15 正斷層時(shí)，采用鉆孔成像技術(shù)進(jìn)行松動(dòng)圈實(shí)測(cè)。研究表明，隨著巷道與斷層構(gòu)造距離的減小，圍巖松動(dòng)圈發(fā)育范圍逐漸增大，預(yù)計(jì)原支護(hù)方案無(wú)法保證巷道安全順利通過(guò)斷層及其后期使用期間的長(zhǎng)久穩(wěn)定。

2）結(jié)合松動(dòng)圈理論對(duì)北翼軌道大巷過(guò)斷層期間支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，錨桿長(zhǎng)度優(yōu)化為2.6 m，布置排間距0.8 m，并設(shè)計(jì)采用U 型鋼架補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)。數(shù)值模擬研究表明，優(yōu)化方案條件下圍巖塑性區(qū)分布范圍和深度相較于原方案減小50%，方案具有可行性。

3）北翼軌道大巷采用短掘、短支快速穿越斷層構(gòu)造帶，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道表面變形微小，巷道安全穩(wěn)定性良好，保障了掘進(jìn)工作面安全快速通過(guò)斷層區(qū)域和后期使用期間圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定。