文/李廣俊

高水平應(yīng)力巷道破碎帶支護技術(shù)研究

文/李廣俊

山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司隸屬于山西煤炭進出口集團控股管理，經(jīng)多次改、擴建后現(xiàn)生產(chǎn)能力240萬t/a，目前開采3號煤層，井田面積30.7422km2。隨著3號煤層八采區(qū)開采水平的不斷延伸，煤層賦存深度達到了450m。西二集中大巷為八采區(qū)開拓巷道，設(shè)計沿N75°W方向布置有回風(fēng)、運輸和軌道三條大巷。其中，西二集中軌道掘進過程中揭露斜交斷層三條，加之北側(cè)F7-2斷層走向N73°W，H=11.2m∠75°。受斷層的影響，巷道圍巖破碎、易風(fēng)化，巷道穩(wěn)定性極差。本文結(jié)合經(jīng)坊煤業(yè)西二集中運輸大巷地應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造特征，提出了合理的巷道支護方案。該技術(shù)有效地控制了巷道破碎帶圍巖變形量，取得了較好的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益，對類似地質(zhì)條件巷道支護具有推廣及借鑒價值。

一、地質(zhì)情況概述

3號煤層位于山西組中下部，煤層厚度3.27～7.95m，平均6.02m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單。直接頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度6.65m，層理較發(fā)育。基本頂為粉砂巖，平均厚度3.55 m，膠結(jié)堅硬，強度較大。直接底為砂質(zhì)泥巖（局部相變?yōu)樘抠|(zhì)泥巖），平均厚度5.53m，層理發(fā)育。基本底為細砂巖，平均厚度3.82m，硅質(zhì)膠結(jié)，致密堅硬。下層夾矸一般距煤層底板0.80～1.10m左右。

井田位于晉城～獲鹿斷褶帶與武鄉(xiāng)～陽城凹褶帶之間，受區(qū)域構(gòu)造帶的控制，地層傾角小于15°，井田總體為一向北西傾伏的單斜構(gòu)造。井田內(nèi)落差大于20m斷層4條，均為高角度正斷層；落差大于等于5m小于20m的斷層21條；陷落柱發(fā)育20條。

3號煤層西二集中大巷應(yīng)力測試結(jié)果顯示：應(yīng)力場類型為σH＞σV＞σh型；最大水平主應(yīng)力為20.45MPa，最小水平主應(yīng)力為11.44MPa；垂直應(yīng)力為13.75MPa；最大水平主應(yīng)力方向為N16.9°E，與西二集中大巷掘進方向夾角85°。

根據(jù)西二集中大巷高水平應(yīng)力區(qū)域井下鉆探過程，揭露煤層直接頂、基本頂、直接底、基本底體積節(jié)理數(shù)，結(jié)合所取巖芯的RQD指標、所取巖芯的節(jié)理裂隙發(fā)育程度及圍巖分類指標，初步判定該區(qū)域巷道圍巖巖體完整性系數(shù)分別為：基本頂0.55～0.35；直接頂0.20～0.40；直接底0.35～0.15；基本底0.55～0.35。綜合3號煤層頂?shù)装鍘r層巖石力學(xué)參數(shù)，判定該高水平應(yīng)力區(qū)域圍巖分類級別屬于IV類層間結(jié)合不良的薄層、中厚層和軟硬巖互層結(jié)構(gòu)。

二、影響破碎圍巖變形破壞的因素

地下工程巷道開挖前，圍巖原巖處于原始三向應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著巷道開挖和擾動，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，新應(yīng)力的重新分布引起了圍巖的變形和破壞。受賦存深度、地質(zhì)構(gòu)造及地應(yīng)力的影響，圍巖破碎帶巖體松散、承載能力差，變形破壞嚴重，給圍巖控制帶來諸多不便。通過對經(jīng)坊煤業(yè)西二集中運輸大巷破碎帶圍巖變形、破壞研究，認為影響該巷道變形破壞的主要因素有：

1.受構(gòu)造應(yīng)力和巷道開挖的作用，原巖體內(nèi)產(chǎn)生破斷和裂隙。當應(yīng)力重新分布時，巖體會沿斷裂面出現(xiàn)剪切變形破壞，導(dǎo)致了圍巖自承能力降低，這是巷道變形破壞的主要因素之一。

2.經(jīng)坊煤礦西二集中大巷平均埋藏深度430m，垂直應(yīng)力達13.75MPa。隨著巷道開挖，圍巖原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，巖體內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力重新分布和應(yīng)力集中。當集中應(yīng)力超過巷道支護強度時，巷道變形加?。粐乐貢r常引起巷道失穩(wěn)。

3.掘進巷道穿越高水平應(yīng)力區(qū)域時，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，巷道兩幫變形破壞明顯加劇。當巷道掘進方向與水平應(yīng)力方向垂直時，變形破壞達到最大值。

4.西二集中運輸大巷受斷層和平緩褶曲構(gòu)造應(yīng)力的影響，圍巖巖體內(nèi)積聚一定的構(gòu)造應(yīng)力，是巷道變形破壞的重要因素之一。

三、支護設(shè)計

1.支護形式和參數(shù)選擇原則

結(jié)合經(jīng)坊煤礦西二集中軌道大巷破碎帶圍巖變形破壞特點，其支護形式和參數(shù)選取主要遵循以下原則：

(1)一次性支護原則。由于巷道服務(wù)年限較長，一次性有效控制圍巖變形，選用聯(lián)合支護充分發(fā)揮支護效果，是安全生產(chǎn)和降低巷道維修成本的要求。

(2)高預(yù)應(yīng)力原則。預(yù)應(yīng)力參數(shù)選取是區(qū)分主動支護和被動支護的關(guān)鍵因素，高預(yù)應(yīng)力充分發(fā)揮支護的主動性，是提高錨固體整體性和完整性的要求。

(3)可操作性和經(jīng)濟合理原則。支護形式的選擇還應(yīng)與井下施工條件相適應(yīng)，在保證巷道支護效果和安全的條件下，做到經(jīng)濟合理，有利于巷道支護成本控制。

2.支護設(shè)計

根據(jù)西二集中大巷破碎帶地應(yīng)力和圍巖變形破壞特征，在上述支護形式和參數(shù)原則的基礎(chǔ)上，破碎帶圍巖支護采用“錨網(wǎng)+U型架+噴漿”的聯(lián)合支護方式。

支護參數(shù)如下：

(1)錨桿：錨桿采用φ22× 2400mm左旋螺紋鋼錨桿，間、排距都為800×800mm。預(yù)緊力矩300N· m，錨固力為120KN。

(2)錨索：采用φ22×6500mm，19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間、排距為2500×1800mm，預(yù)應(yīng)力150KN，錨固力為300KN。

(3)樹脂錨固劑：MSK2335和MSZ2360型樹脂錨固劑配合使用。

(4)金屬網(wǎng)規(guī)格：金屬網(wǎng)使用10#鐵絲制作的經(jīng)緯金屬網(wǎng)，網(wǎng)格為50×50mm。

(5)鋼筋梁：鋼筋梁用φ14圓鋼制作，規(guī)格：頂鋼筋梁80× 5100mm；幫鋼筋梁80×3100mm。

(6)托盤：錨桿托盤采用150× 150×10mm拱形高強度金屬托盤，配合球形墊和減阻尼龍墊圈，托盤拱高要求大于36mm，承載能力不低于230KN；錨索托盤采用300× 300×20mm金屬托盤，鎖具采用KM-22。

(7)U型架：選用29U型鋼分三段搭接制作，搭接長度不小于450 mm，U型架間采用Ф18鋼筋鉤連接，U型架排距1000mm。

(8)噴漿：噴射混凝土強度為C25，厚度120mm。

四、巷道圍巖變形觀測及結(jié)論

高應(yīng)力區(qū)域巷道掘進過程中，采用十字布點法，每10m安設(shè)一個表面位移測站。觀測方法為：在C、D之間拉緊測繩，A、B之間拉緊鋼卷尺，測讀AO、AB值；在A、B之間拉緊測繩，C、D之間拉緊鋼卷尺，測讀CO、CD值；測量精度要求達到1mm，并估計出0.5mm；采用皮卷尺測量監(jiān)測斷面距掘進工作面的距離。測量頻度為安裝完成后7天時間內(nèi)每天進行觀測，超過安裝7天后每周進行觀測一次。十字布點法如下圖所示。

十字布點法

圍巖變形觀測結(jié)果分析表明：巷道開挖1～5天期間為圍巖彈塑性變形階段；6～11天期間為圍巖蠕變階段；11天以上為圍巖變形穩(wěn)定階段。因此，“錨網(wǎng)+U型架+噴漿”的聯(lián)合支護方式滿足了巷道安全施工及工程質(zhì)量驗收要求。

（作者單位：山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司）

（責任編輯：周瓊）