三元煤業(yè)4306 運輸順槽過斷層破碎區(qū)優(yōu)化支護技術(shù)研究

秦路通

（山西三元煤業(yè)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(shù)礦井的地質(zhì)構(gòu)造，因其上下盤沿破裂面滑移和較高的應(yīng)力集中性，導(dǎo)致掘進(jìn)巷道過斷層破碎帶時易發(fā)生較大變形而引發(fā)巷道支護結(jié)構(gòu)失效，嚴(yán)重影響著巷道穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)[1-4]。如何確保掘進(jìn)巷道過斷層破碎區(qū)時圍巖控制效果，一直是學(xué)者專家和礦山科技工作者關(guān)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(wǎng)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(jìn)巷道過斷層破碎區(qū)時易產(chǎn)生較大變形和支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問題，以三元煤業(yè)4306 運輸順槽為工程背景，對巷道過F28 正斷層破碎區(qū)時原支護存在的問題進(jìn)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(yè)現(xiàn)主采3#煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)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(fēng)，巷道位于3#煤四采區(qū)，東為4306運輸順槽運輸聯(lián)絡(luò)巷，南為實體煤，西為礦井邊界，北為實體煤。巷道設(shè)計長度1 322.7 m，沿3#煤層底板掘進(jìn)。巷道斷面為矩形，斷面尺寸為5200 mm×3500 mm（寬×高）。巷道掘進(jìn)工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

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(yù)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(yù)應(yīng)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(shè)，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(diào)心托板及配套鎖具。金屬網(wǎng)采用10#鐵絲編制而成的規(guī)格為5600 mm×1150 mm（長×寬），網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm 的礦用經(jīng)緯金屬網(wǎng)。

（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(yù)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(jìn)至690 m 時揭露F28 正斷層，斷層產(chǎn)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(jìn)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(jìn)所產(chǎn)生的擾動使得掘進(jìn)工作面附近圍巖應(yīng)力發(fā)生重新分布，導(dǎo)致原本處于“膠結(jié)”狀態(tài)的斷層面被重新剪開，造成巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)斷裂、破碎程度增加，嚴(yán)重制約了巷道掘進(jìn)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(qū)掘進(jìn)期間，在原支護條件下，巷道頂板頻繁發(fā)生網(wǎng)兜、掉頂現(xiàn)象，局部區(qū)域掉頂厚度甚至達(dá)到0.5 m 左右，且有錨桿斷裂和錨桿托盤飛出現(xiàn)象發(fā)生。由此可見，巷道在過F28正斷層破碎區(qū)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(qū)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(qū)全錨索加強支護研究

3.1 過斷層破碎區(qū)圍巖控制原理

巷道過斷層破碎區(qū)圍巖控制時，首先應(yīng)考慮的支護理論為一次高預(yù)應(yīng)力加強支護理論，即在巷道支護初期就應(yīng)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(jìn)施工及使用期間發(fā)生較大變形[4]。此外，采用一次高預(yù)應(yīng)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(jié)約巷道維護成本和人工成本[5]。全錨索支護對斷層破碎區(qū)圍巖控制的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下兩點：一是通過改變支護系統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)以提高承載體整體穩(wěn)定性，同時可實現(xiàn)巷道深部圍巖自穩(wěn)；二是通過給承載體提供較大的預(yù)緊力，將錨索、金屬網(wǎng)和圍巖形成一個整體結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)維護圍巖穩(wěn)定的目的[7]。

3.2 全錨索加強支護設(shè)計

通常情況下，錨索長度與支護效果正相關(guān)，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(jìn)效率。因此，在全錨索支護錨索選型時，應(yīng)綜合考慮支護系統(tǒng)的支護性能、支護成本和巷道掘進(jìn)效率[2,6]。

3.2.1 錨索長度及間排距確定

由《采礦工程設(shè)計手冊》和懸吊理論可知，錨索的長度L應(yīng)滿足[2]：

式中：La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)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(shù)，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(jié)強度，15 N/mm2。由式（2）帶入數(shù)據(jù)知La≥1.17 m，由式（1）帶入數(shù)據(jù)知L≥5.3 m。由此可見，4306 回風(fēng)順槽錨索直徑為18.9 mm 時，長度應(yīng)不小于5.3 m。結(jié)合其他過斷層破碎區(qū)巷道全錨索支護研究成果，確定了4306 回風(fēng)順槽過斷層破碎區(qū)時全錨索支護所采用的長錨索規(guī)格為Ф18.9 mm×8300 mm，間排距為1600 mm×2000 mm；短錨索規(guī)格為Ф18.9 mm×6000 mm，間排距為1150 mm×1000 mm。巷道兩幫支護參數(shù)和規(guī)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(shè)計施加預(yù)緊力為250 kN，要求錨固力不低于設(shè)計預(yù)緊力。錨索錨固段為泥巖、砂質(zhì)泥巖等較穩(wěn)定巖層，所需的錨固劑長度應(yīng)滿足[5]：

式中：Lm為錨桿錨固長度，m；P0為設(shè)計錨固力，取錨索破斷載荷409 kN；C0為樹脂錨固劑粘結(jié)強度，按穩(wěn)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(jù)三元煤業(yè)實際生產(chǎn)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(yè)性實踐

4.1 觀測內(nèi)容及測站布置

為了掌握全錨索加強支護對4306 回風(fēng)順槽過F28 正斷層破碎區(qū)時的圍巖控制效果，在巷道掘進(jìn)至F28 正斷層破碎區(qū)內(nèi)，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(jìn)行觀測和記錄。

4.2 觀測結(jié)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(shù)據(jù)，得到巷道頂板離層量曲線（見圖2）、巷道頂?shù)装逡平壳€（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?shù)装寮皟蓭鸵平侩S距掘進(jìn)迎頭距離的變化趨勢基本一致，即巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平侩S距掘進(jìn)迎頭距離的增大，呈先快速增長后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在距掘進(jìn)迎頭距離超過65 m 后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e穩(wěn)定在80 mm 和100 mm 左右，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為88.36 mm和101.46 mm。由此可見，4306 回風(fēng)順槽過F28 正斷層破碎區(qū)時采用長短錨索配合使用的巷道頂板全錨索優(yōu)化支護方案后，巷道圍巖變形得到有效控制。

5 結(jié)語

（1） 確定了頂板長錨索規(guī)格為Ф18.9 mm×8300 mm，間排距為1600 mm×2000 mm；短錨索規(guī)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(xiàn)觀測結(jié)果表明：巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為88.36 mm 和101.46 mm，均在允許范圍內(nèi)，巷道圍巖變形得到有效控制。