寬溝煤礦I010101上順槽掘進過斷層破碎帶全錨索支護技術研究

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，煤層賦存的地質力學環(huán)境就愈發(fā)復雜[2]。特別是在生產(chǎn)過程中遇到的局部地質構造，而在這種地質構造中斷層的存在，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雜與困難的工程技術問題[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)表明應用效果良好，經(jīng)濟效益顯著。

1 工程地質基本情況

1.1 工程地質概況

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造，巖層傾向10°～30°，傾角10°～20°。井田內含煤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，結構簡單，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泥巖和粗粒砂巖。

頂板巖性以粉砂巖、泥巖及砂質泥巖為主，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，巖體質量中等-良，中等冒落。為易冒落～中等冒落頂板。

礦區(qū)構造受區(qū)域構造的影響，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)域構造的控制，礦區(qū)內褶皺不發(fā)育，斷裂展布與區(qū)域構造線一致。

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構造，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)構造受區(qū)域構造的影響，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為一次高預應力強力支護理論。該理論強調在支護系統(tǒng)的初期就應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。同時采用一次高預應力強力支護措施，能夠實現(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、物力的重復使用[9]。然而實現(xiàn)一次高預應力強力支護應同時符合下列3個條件：①在支護初期，使用一次強力支護系統(tǒng)強度與剛度滿足設計要求，能夠對離層、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，能夠迅速應用于現(xiàn)場，并實現(xiàn)快速作業(yè)。

在一次高預應力強力支護理論中，全錨索支護的作用主要表現(xiàn)在以下2個方面：①改變支護預應力承載結構，大大提高承載體穩(wěn)定性能，同時能夠實現(xiàn)深部圍巖自穩(wěn)；②提供給承載體較大預緊力，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?，也是在遠離施工作業(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計效果。從錨索測力計統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，錨索從預應力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 結論

1）根據(jù)I010101上順槽巷道實際地質采礦條件，利用一次高預應力強力支護理論，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。