巷道過(guò)斷層及圍巖破碎帶支護(hù)設(shè)計(jì)研究

趙宗劍(中煤華利榮欣焦化有限公司， 山西 呂梁 033000)

1 前言

高家莊煤礦位于離柳礦區(qū)南部，基本構(gòu)造形態(tài)為一走向NW，傾向SW的單斜構(gòu)造，地層傾角為2°～6°。在此基礎(chǔ)上煤礦中部發(fā)育次級(jí)褶皺，向兩側(cè)逐漸變緩?？辈檫^(guò)程中未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，在井下開(kāi)采2號(hào)煤層，揭露13條正斷層，1條逆斷層。斷層走向以NE或NW向?yàn)橹?，斷層傾角15°～73°。斷層落差0.4～10.0m，其中落差<5m的11條，落差>5m的3條。各斷層特征見(jiàn)表1。其中，落差為5m以上的3條斷層對(duì)盤區(qū)劃分和工作面連續(xù)推進(jìn)有影響，落差5m以下的小斷層對(duì)煤礦盤區(qū)劃分和工作面連續(xù)推進(jìn)基本無(wú)影響。煤礦內(nèi)未見(jiàn)巖漿巖侵入，煤礦地質(zhì)構(gòu)造類型屬簡(jiǎn)單類型。

表1 斷層統(tǒng)計(jì)表

礦井2號(hào)煤層已回采一盤區(qū)的2101、2103、2105工作面和二盤區(qū)的2201、2203工作面，正在回采一盤區(qū)的2107工作面，僅剩余2205工作面。礦井2、3、4號(hào)煤層為近距離煤層群，需下行開(kāi)采。目前礦井接續(xù)緊張，因此為保證礦井接續(xù)，需開(kāi)采3號(hào)煤層。

3號(hào)煤層首采工作面為3201回采工作面，工作面長(zhǎng)179m，3201工作面輔助運(yùn)輸巷總工程量1 010m，其中155m為矩形斷面，采用錨網(wǎng)索支護(hù)；855m為梯形斷面，采用錨網(wǎng)+工字鋼棚支護(hù)；3201工作面運(yùn)輸巷總工程量966m，其中111m為矩形斷面，采用錨網(wǎng)索支護(hù)；855m為梯形斷面，采用錨網(wǎng)+工字鋼棚支護(hù)；3201工作面開(kāi)切眼總工程量179m，矩形斷面，采用錨網(wǎng)索+單體支柱支護(hù)。

3101運(yùn)輸巷綜掘工作面，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度926m,梯形斷面，凈上寬3.6m，凈下寬4.6m，凈高2.4m，錨網(wǎng)+工字鋼棚支護(hù)，凈斷面9.86m2；3101輔運(yùn)巷綜掘工作面，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度964m，梯形斷面，凈上寬3.6m，凈下寬4.6m，凈高2.4m，錨網(wǎng)+工字鋼棚支護(hù)，凈斷面9.86m2。

礦井一期3號(hào)煤層距離頂部2號(hào)煤層采空區(qū)較近，2號(hào)煤層采空區(qū)穩(wěn)定后方可進(jìn)行掘進(jìn)，3號(hào)煤工作面巷道采用架棚支護(hù)，采掘過(guò)程中遇斷層等地質(zhì)構(gòu)造，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，防止冒頂事故發(fā)生，保證巷道過(guò)斷層支護(hù)安全。

2 巷道過(guò)斷層及圍巖破碎帶支護(hù)

一般情況下，頂板破碎發(fā)育地區(qū)，周邊的巖體松軟和破碎，巖體強(qiáng)度降低，單一的錨桿支護(hù)難以滿足安全生產(chǎn)的要求。參考其他礦區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本礦井頂板實(shí)際條件。巷道過(guò)破碎地段采用錨桿索+工字鋼架棚聯(lián)合支護(hù)?，F(xiàn)分析工字鋼的受力因素。

2.1 用工字鋼梯形支架梁受力分析

1)梁的最大彎矩計(jì)算

圖1所示為簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型，根據(jù)受均布載荷的梁的彎曲內(nèi)力計(jì)算公式，梁在x點(diǎn)處的彎矩為

(1)

圖1 簡(jiǎn)支梁的力學(xué)模型

在梁的中點(diǎn)截面處彎矩最大，其值為

(2)

式中：Mmax——工字鋼頂梁受到的最大彎矩；

q——均布載荷；

l——工字鋼梁的凈跨長(zhǎng)度(不含棚爪部分)。

2)工字鋼頂梁受到的最大拉應(yīng)力計(jì)算

圖2所示為工字鋼截面應(yīng)力分布圖，在工字鋼梁的中點(diǎn)處的截面上，沿中性軸上側(cè)工字鋼受壓應(yīng)力，下側(cè)受拉應(yīng)力，當(dāng)所受拉應(yīng)力大于工字鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工字鋼下側(cè)破壞。

圖2 工字鋼截面上的應(yīng)力分布

最大正應(yīng)力計(jì)算公式為

(3)

式中：Mmax——頂梁受到的最大彎矩；

WZ——頂梁橫截面的抗彎截面模量，是衡量截面抗彎強(qiáng)度的幾何量，可查表獲得；

σmax——最大正應(yīng)力。

3)工字鋼頂梁受到的壓力計(jì)算

將式(2)代入式(3)得頂梁受到的均布載荷為

(4)

σmax代入工字鋼頂梁的屈服極限，求出的是梁的使用載荷；代入抗拉強(qiáng)度，求出的是梁的破壞載荷。根據(jù)式(4)可求出一根任意長(zhǎng)度的工字鋼頂梁所承受的頂板壓力。

4)工字鋼頂梁受壓力后最大彎曲下沉值計(jì)算

根據(jù)受均布載荷的簡(jiǎn)支梁撓曲線方程為

(5)

(6)

|y|max值為工字鋼頂梁在中間位置的最大下沉值。

式中：E——工字鋼的彈性模量；

I——工字鋼的慣性矩；

l——梁的跨長(zhǎng)，即工字鋼的凈長(zhǎng)度。

2.2 理論計(jì)算結(jié)果分析

1)工字鋼頂梁受到的壓力計(jì)算

以工作面運(yùn)輸順槽為例，高家莊煤礦巷道工字鋼棚頂梁跨長(zhǎng)為4.8m，材質(zhì)為Q275的礦用12#工字鋼，其屈服極限為σs=355MPa，抗拉強(qiáng)度為σb=510MPa，查表得12#工字鋼抗彎截面模量[1]Wz=144.5cm3=144.5×10-6m3。

代入式(4)求得工字鋼的使用載荷為

即4.8m的12#工字鋼頂梁達(dá)到屈服極限時(shí)，其所受均布載荷約為17.81kN/m，整架棚的使用載荷為QS=17.81×4.8=85.49kN。

同理，將抗拉強(qiáng)度為σb=510MPa代入式(4)求得破壞時(shí)的均布載荷為25.59kN/m，整架棚的破壞載荷為122.83kN。

2)工字鋼頂梁受壓力后最大彎曲下沉值計(jì)算

3號(hào)煤層運(yùn)輸、回風(fēng)順槽工字鋼棚頂梁跨長(zhǎng)為4.8m、材質(zhì)為Q275的礦用12#工字鋼，查表知碳鋼的彈性模量為200GPa，12#工字鋼的慣性矩為623.7×10-8m4。

將上述算得的17.81kN/m代入式(6)，求得工字鋼頂梁在使用載荷條件下中間位置下沉量為

即4.8m的礦用12#工字鋼棚頂梁下沉達(dá)到58mm時(shí)，頂梁開(kāi)始出現(xiàn)屈服變形。

將上述算得的25.59kN/m代入式(6)，求得工字鋼頂梁達(dá)到破壞載荷條件時(shí)中間位置下沉量為84mm。

3)頂板壓力的確定

巷道頂板壓力采取傳統(tǒng)的自然平衡拱理論進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

(7)

式中：Qd——每米巷道頂板巖石作用在支架上的壓力；

γ——頂板巖石重力密度；

f——頂板巖石的堅(jiān)固性系數(shù)；

a——巷道半跨度。

根據(jù)3號(hào)煤層地質(zhì)情況，運(yùn)輸順槽巷道掘進(jìn)寬度最大為4.6m，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f取2.0，巖石重力密度γ取26.0kN/m3，頂板壓力為

上述計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，棚距1m時(shí)，每架棚承受理論壓力為70.5kN。采用跨長(zhǎng)4.8m的12#工字鋼支護(hù)，計(jì)算得該跨長(zhǎng)的最小工字鋼使用載荷為85.49kN/m，棚距1m，安全系數(shù)為n=85.49/70.5=1.21，滿足支護(hù)強(qiáng)度要求。

由上述計(jì)算可知，當(dāng)工字鋼棚棚距小于或等于1m時(shí)，安全系數(shù)能夠滿足支護(hù)要求。為施工方便，且考慮回采工作面巷道在工作面開(kāi)采過(guò)程中，受采動(dòng)影響較大，在過(guò)地質(zhì)破碎地帶時(shí)采用架棚支護(hù)時(shí)，棚距取為800mm。

3 巷道過(guò)斷層段巷道支護(hù)方式

由于斷層帶巖性比較破碎，圍巖應(yīng)力相對(duì)較大，圍巖穩(wěn)定性差，過(guò)斷層后的巷道在施工完成后經(jīng)常會(huì)遇到二次破壞，本設(shè)計(jì)主要對(duì)斷距一般為數(shù)米，支護(hù)難度較大時(shí)，巷道的支護(hù)方式提出相對(duì)合理的建議。圖3所示為巷道掘進(jìn)過(guò)正斷層時(shí)頂板破碎帶；圖4所示為過(guò)正斷層時(shí)巷道的支護(hù)方式(橢圓區(qū)域?yàn)樾枰崆斑M(jìn)行注漿加固的區(qū)域)；圖5所示為巷道掘進(jìn)過(guò)逆斷層時(shí)頂板破碎帶。與過(guò)正斷層相比，巷道掘進(jìn)過(guò)逆斷層時(shí)，巷道上方?jīng)]有斷層面區(qū)域頂板極易冒落帶，圍巖的破碎程度較小，過(guò)逆斷層時(shí)，巷道圍巖控制相對(duì)較容易，因此，為安全起見(jiàn)，巷道掘進(jìn)過(guò)逆斷層時(shí)的支護(hù)方式采用與過(guò)正斷層相同的支護(hù)方式，具體支護(hù)參數(shù)以過(guò)正斷層時(shí)期支護(hù)參數(shù)為準(zhǔn)。

圖3 巷道掘進(jìn)過(guò)正斷層時(shí)頂板破碎帶

圖4 巷道掘進(jìn)過(guò)正斷層時(shí)支護(hù)方式

圖4 巷道掘進(jìn)過(guò)逆斷層時(shí)頂板破碎帶

巷道在掘進(jìn)過(guò)程中，支護(hù)方式采用錨桿+錨索+工字鋼+噴注漿支護(hù)，該支護(hù)方式是采用錨索梁聯(lián)合支護(hù)與噴注漿相結(jié)合的雙重作用[2]。在采掘過(guò)程中若遇小斷層地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，建議采用以下施工、支護(hù)方案。

3.1 中空自進(jìn)式注漿錨桿

中空自進(jìn)式注漿錨桿配合工字鋼支架使用時(shí)，中空自進(jìn)式注漿錨桿應(yīng)用于拱部與兩邊墻拱下1m，其縱向搭接長(zhǎng)度不小于1m，布置兩排，間距300mm，中空自進(jìn)式注漿錨桿安裝后進(jìn)行注漿加固。

①中空自進(jìn)式注漿錨桿規(guī)格φ25mm，環(huán)向間距200mm。

②外插角5°～15°，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

③注漿材料：M20水泥漿或水泥砂漿(需要時(shí)改為水泥- 水玻璃雙液注漿)。

④設(shè)置范圍：拱部及兩邊墻拱部下1m，內(nèi)外兩圈。

⑤工字鋼支架拱部用槽鋼16mm，邊墻用16mm加工。每榀支架分四塊，每塊端部焊鋼板δ10mm,用螺栓聯(lián)接。

⑥工字鋼支架按1m 1架布置，支架之間用螺紋鋼φ18mm連接，環(huán)向間距1.5m。

3.2 超前小導(dǎo)管

超前小導(dǎo)管配合工字鋼支架使用，小導(dǎo)管應(yīng)用于拱部與兩邊墻拱下1m，其縱向搭接長(zhǎng)度不小于1m，小導(dǎo)管安裝后進(jìn)行注漿加固。

①超前小導(dǎo)管規(guī)格：φ32mm無(wú)縫冷軋鋼管，厚3.5mm。

②小導(dǎo)管3m/根，環(huán)向間距400mm。

③外插角5°～15°，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

④注漿材料：M20水泥漿或水泥砂漿(需要時(shí)改為水泥- 水玻璃雙液注漿)。

⑤設(shè)置范圍：拱部及兩邊墻拱部下1m。

⑥工字鋼支架拱部用槽鋼16mm，邊墻用16mm加工。每榀支架分四塊，每塊端部焊鋼板δ10mm,用螺栓聯(lián)接。

⑦工字鋼支架按1m 1架布置，支架之間用螺紋鋼φ18mm連接，環(huán)向間距1.5m。

4 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件及開(kāi)采情況，對(duì)3號(hào)煤層掘進(jìn)中過(guò)斷層的支護(hù)進(jìn)行了研究。當(dāng)工字鋼棚棚距小于或等于1m時(shí)，安全系數(shù)能夠滿足支護(hù)要求。在過(guò)地質(zhì)破碎地帶時(shí)采用架棚支護(hù)時(shí)，棚距取為800mm。巷道在掘進(jìn)過(guò)程中，預(yù)計(jì)臨近斷層時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行鉆探，確定至斷層的準(zhǔn)確距離。在距離斷層10m左右時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)巷道頂板的支護(hù)，支護(hù)方式采用錨桿+錨索+工字鋼+噴注漿支護(hù)，保障3號(hào)煤層掘進(jìn)過(guò)斷層安全回采。