張 勇

（山西西山煤電股份公司西銘礦，山西 太原 030052）

井下巷道掘進(jìn)遇斷層破碎帶時(shí)變形較大、支護(hù)困難，易發(fā)生冒頂片幫等事故，嚴(yán)重影響礦山安全生產(chǎn)和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[1]。許多專家就如何有效控制井下巷道過斷層破碎帶時(shí)圍巖變形與破壞，實(shí)現(xiàn)巷道的快速施工進(jìn)行了大量研究。武志龍?zhí)岢銎扑轫敯遄{加固和“錨網(wǎng)索+W鋼帶+ 礦工鋼+ 水泥背板”聯(lián)合支護(hù)措施，控制了斷層帶巷道變形[2]。劉祥利等基于斷層帶巷道變形原因的分析，提出了“U型鋼棚+ 超前注漿噴棚”的聯(lián)合支護(hù)方案。伊麗娟等采用混凝土止?jié){墻和“錨桿+ 錨索+U型鋼棚”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，有效地解決了過斷層巷道突水和支護(hù)問題[3]。徐兵分析了斷層破碎帶巷道破壞機(jī)理，提出了補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案[4]。郝育喜等分析了斷層帶軟巖巷道破壞特征和主控因素，提出了“注漿+ 非對(duì)稱錨網(wǎng)索+底角錨桿”耦合支護(hù)措施[5]。上述研究成果為斷層破碎帶巷道支護(hù)提供了借鑒和參考。本文基于西銘礦48603 工作面回風(fēng)巷道斷層帶變形破壞主控因素的分析結(jié)果，提出相應(yīng)的斷層帶巷道支護(hù)措施，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，為相似地質(zhì)條件下道圍巖變形控制提供了一定的借鑒。

1 工程概況

西銘礦隸屬于山西西山煤電（集團(tuán)）公司，位于太原市以西，距太原市約20 km。該礦主采8#煤層，煤層厚度為2.37～4.99 m，平均厚度為3.39 m。煤層傾角為3.6°～4.2°，平均傾角為3.9°。煤層內(nèi)部含有0.2 m左右的夾矸。煤層全區(qū)可采，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)育不穩(wěn)定。煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。

表1 8#煤層頂?shù)装迩闆r

48603工作面井下巷道斷面規(guī)格為5 600 mm×3 600 mm，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 583 m，巷道掘進(jìn)過程中揭露了逆斷層F815，該斷層走向350°，傾向260°，傾角30°，落差4.5 m。

2 斷層帶巷道變形破壞狀況及原因分析

2.1 原支護(hù)形式

頂板和兩幫均采用Φ22 mm×2 200 mm高強(qiáng)螺紋鋼錨桿支護(hù)，頂板錨桿布置間距為800 mm，排距為1 000 mm，即每排布置8 根頂錨桿，其中靠近巷幫的頂板錨桿垂直向外傾斜10°布置，其余錨桿均垂直于頂板；幫部錨桿間距800 mm，每排10 根，其中靠近頂板的幫錨桿垂直向外傾斜10°，其余錨桿均垂直于幫部；錨索采用Φ17.8 mm×7 300 mm間排距2 400 mm×2 000 mm的高強(qiáng)讓壓錨索；噴射厚度為150 mm混凝土，鋪底的為C30，其余為C25，支護(hù)效果見圖1。

圖1 原方案斷面支護(hù)

2.2 松動(dòng)圈范圍分析

采用錨桿鉆機(jī)在斷層帶頂板中心位置處進(jìn)行打眼鉆孔，采用鉆孔成像儀進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)圍巖裂隙的發(fā)育程度，破碎程度較大區(qū)域確定為松動(dòng)圈范圍，鉆孔窺視情況見圖2。

圖2 鉆孔窺視情況

根據(jù)鉆孔窺視情況可知，在0.4 m范圍內(nèi)圍巖較為破碎，0.76～1.78 m圍巖產(chǎn)生大量環(huán)向裂隙，中間貫穿縱向裂隙，此段圍巖裂隙發(fā)育嚴(yán)重，1.96 m處仍然存在環(huán)狀小裂隙，之后出現(xiàn)微小裂隙，圍巖較為完整，基本不存在裂隙，故圍巖松動(dòng)圈范圍為1.96 m。

2.3 斷層帶巷道變形破壞狀況及原因分析

（1）斷層破碎帶附近巷道圍巖較為破碎，且越靠近斷層面，煤巖體內(nèi)部裂隙發(fā)育程度越高，導(dǎo)致煤巖層整體性和完整性遭到破壞，力學(xué)性能劣化，這是導(dǎo)致斷層破碎帶巷道變形和破壞的主要原因[3]。

（2）斷層破碎帶破壞了井下巷道圍巖的連續(xù)性，導(dǎo)致其初始應(yīng)力呈現(xiàn)差異化分布特征。受斷層破碎帶影響，過斷層破碎帶巷道圍巖產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致其應(yīng)力升高。

（3）破碎帶厚度較厚，圍巖破碎區(qū)域大，由重力引起的垂直應(yīng)力比較大，圍巖變形程度難以控制，巷道支護(hù)也就越困難[4]。

3 斷層破碎帶巷道支護(hù)方案及參數(shù)確定

在接近斷層位置處，錨桿失效嚴(yán)重，因此依據(jù)松動(dòng)圈理論對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，斷層處松動(dòng)圈為1.96 m，屬于大松動(dòng)圈的Ⅴ類圍巖，應(yīng)根據(jù)組合拱理論設(shè)計(jì)其支護(hù)參數(shù)，剛?cè)狁詈?，提前?duì)破碎帶區(qū)域進(jìn)行預(yù)加固。

3.1 巷道斷面形狀

斷層破碎帶應(yīng)力集中，礦壓大，應(yīng)采用直墻半圓拱形通過斷層。取巷道凈寬的一半為半徑，將直墻高度縮減至1.4 m，則巷道的高度3.6 m增加為4.1 m，寬度不變。相較于原方案的矩形巷道，不僅保證了原方案的通風(fēng)量，還減小了巷道圍巖應(yīng)力的集中程度，提高了巷道圍巖的承載能力[5]。因此，在西銘礦48603 工作面巷道穿越斷層破碎帶位置處前后10 m區(qū)域內(nèi)采用直墻半圓拱斷面。

3.2 錨桿參數(shù)

（1）錨桿長(zhǎng)度：L=L1+L2+L3式中：L為錨桿總長(zhǎng)度；L1為外露長(zhǎng)度，一般取0.05 m；L2為有效長(zhǎng)度，應(yīng)大于等于松動(dòng)圈長(zhǎng)度1 960 mm；L3為錨固長(zhǎng)度，取500 mm。

則，L=L1+L2+ L3=0.05+1.96+0.5=2 510 mm。因此錨桿長(zhǎng)度取2 600 mm。

式中：Lp為組合拱高度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)破碎帶厚度為1 960 mm時(shí)，取1 200 mm；a為錨桿間排距；α為錨桿控制角，一般取45°。

代入解得a=0.82 m，經(jīng)過驗(yàn)算，滿足使用要求，因此錨桿間排距取800 mm。

（3）錨桿直徑d確定

根據(jù)三徑匹配原則和現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果，錨桿直徑取20 mm。

（4）錨固力：Q=KL2ra2=3×1.96×1.95×0.8×0.8=7.4 t式中：Q為錨固力，t；K為安全系數(shù)，這里取3；r為圍巖密度，這里取1.95 t/m3。

綜上，確定了所采用得錨桿為Φ20 mm×2 600 mm的左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)度樹脂錨桿，且每孔用1卷K2335 型+1 卷Z2360 型樹脂錨固劑，托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm。

3.3 錨索參數(shù)

（1）錨索長(zhǎng)度：

式中：La為錨固長(zhǎng)度，m；Lb為不穩(wěn)定巖層厚度，m，這里取4 m；Lc為托盤厚度，m，取0.2 m；Ld為預(yù)留外露長(zhǎng)度，m，這里取0.2 m。

（2）錨索間排距：結(jié)合懸吊梁理論和經(jīng)驗(yàn)公式取錨索的間距為2 400 mm，錨索排距1 600 mm。

綜上，確定錨索索體采用高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索孔每孔用1 卷K2335 型+2 卷Z2360 型樹脂錨固劑，錨索托板規(guī)格為300 mm×300 mm×12 mm。

3.4 U型鋼支架

新設(shè)計(jì)的支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的剛度能夠限制破碎帶圍巖的有害變形，保證圍巖不垮落。原讓壓支護(hù)方案無法滿足斷層位置巷道圍巖的剪漲變形。因此，需要在原設(shè)計(jì)支護(hù)形式的基礎(chǔ)上架設(shè)U型鋼支架，并噴射混凝土，作為補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。架設(shè)U型鋼支架大大增加了圍巖的承載能力，不僅具有一定程度的讓壓變形能力，還能提供足夠的支護(hù)力。U型鋼支架選用的U型鋼型號(hào)為U25，間距為0.6 m，每架配6 付卡纜，卡子螺母預(yù)緊力矩應(yīng)大于200 N·m。

3.5 其他支護(hù)參數(shù)

金屬網(wǎng)采用Φ6.5 mm的圓鋼焊接，長(zhǎng)×寬=1 800 mm×1 100 mm，網(wǎng)格100 mm×100 mm，網(wǎng)片壓茬不小于100 mm； 鋼筋梯子梁采用Φ12 mm圓鋼焊接，有必要的斷面圍巖加強(qiáng)支護(hù)；噴射混凝土厚度為150 mm，強(qiáng)度為C25，鋪底厚度為150 mm，強(qiáng)度為C30。

綜上所述，西銘礦48603 工作面巷道過斷層優(yōu)化支護(hù)見圖3。具體為：在巷道穿越斷層破碎帶位置及其前后10 m區(qū)域內(nèi)采用直墻半圓拱斷面，錨網(wǎng)噴+U型鋼支架的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

圖3 優(yōu)化方案斷面支護(hù)

4 支護(hù)效果

在巷道過斷層位置采用JSS30A 型數(shù)顯收斂計(jì)，對(duì)巷道頂板、兩幫的變形量和變形速率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用來觀測(cè)巷道圍巖的穩(wěn)定性，并依據(jù)監(jiān)測(cè)信息及時(shí)對(duì)支護(hù)系統(tǒng)做出調(diào)整，巷道圍巖位移情況見圖4。

圖4 巷道圍巖變形情況

由圖可知，在45 d的觀測(cè)期內(nèi)，巷道左右?guī)臀灰屏肯嗖畈淮螅笥規(guī)偷淖畲笠平繛?2.7 mm、12 mm，頂板位移量為28.7 mm，底鼓量為23.6 mm。前10 d變形速率快，變形總量大，大約占45 d觀測(cè)變形總量的80%以上；10～20 d變形速率逐漸下降，增長(zhǎng)幅度大幅降低；20～45 d內(nèi)，巷道變形速率基本為零，巷道圍巖位移量基本不增長(zhǎng)，巷道進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。表明該聯(lián)合支護(hù)方案能夠優(yōu)先控制斷層破碎帶的不利因素，支護(hù)效果良好。

5 結(jié)語

1）斷層帶的存在，破壞了巷道圍巖的完整性以及連續(xù)性，距離斷層帶越近，巷道圍巖越破碎，原有支護(hù)已經(jīng)無法滿足使用需求。

2）根據(jù)西銘煤礦48603 井下巷道過斷層的實(shí)際情況，在充分分析圍巖破壞原因的基礎(chǔ)上，提出了采用錨網(wǎng)噴+U 型鋼支架的聯(lián)合支護(hù)方案，并設(shè)計(jì)了合理的支護(hù)參數(shù)。

3）通過工程應(yīng)用可知，使用優(yōu)化方案后，斷層破碎帶位置處的圍巖的變形量得到有效控制，在45 d的觀測(cè)期內(nèi)，巷道左右?guī)臀灰屏肯嗖畈淮?，左右?guī)偷淖畲笠平繛?2.7 mm、12 mm，頂板位移量為28.7 mm，底鼓量為23.6 mm，支護(hù)效果良好。