田 超

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)有限公司，山西 靜樂 034000）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)5-1021 巷沿5#煤層頂板掘進(jìn)，埋藏深度378～410 m，設(shè)計(jì)長度632 m。5#煤層傾角23°～27°，平均25°，平均煤厚15.45 m。

5-1021 巷傾角為20°，斷面為矩形，掘?qū)?.4 m，掘高3.1 m，掘進(jìn)斷面13.64 m2。工作面掘進(jìn)范圍內(nèi)構(gòu)造情況簡單，左幫為煤，右?guī)突緸槟鄮r，頂板多為泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r，底板多為泥巖和粉砂巖，頂板完整性較好。預(yù)計(jì)5-1021 巷掘進(jìn)過程中將揭露兩條斷層，H1=2.5 m（斷上）、H2=15 m（斷下），由于斷層對工作面的掘進(jìn)和支護(hù)會產(chǎn)生一定影響，因此需制定安全有效的支護(hù)措施。

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 斷層對掘進(jìn)巷道的影響

斷層在形成時，會導(dǎo)致應(yīng)力重分布[1]，地應(yīng)力的分布將會有所變化，大主應(yīng)力σ1=γH，為垂直應(yīng)力，中主應(yīng)力σ2和小主應(yīng)力σ3為水平，此時σ2和σ3均會有一定程度的增大。主應(yīng)力方向如圖1。

圖1 巷道走向與主應(yīng)力方向示意圖

由圖1 可知，當(dāng)巷道掘進(jìn)至斷層處時，水平應(yīng)力σ2和σ3均會增大，此時巷道兩幫將會產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)[2]。當(dāng)巷道掘進(jìn)方向與斷層面垂直時，巷道兩幫的應(yīng)力和變形均為對稱式發(fā)展，此時不易產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)。

圖2 所示為巷道掘進(jìn)方向與斷層位置示意圖。由圖2 可知，當(dāng)巷道由斷層下盤方向向斷層上盤方向掘進(jìn)時（圖2 中①所示方向），巷道頂板先通過斷層，此時巷道易發(fā)生冒頂情況，而后底板再經(jīng)過斷層，底板可能會有一定程度的塌陷。因此需先后對巷道頂板、底板依次進(jìn)行支護(hù)加固。反之，當(dāng)巷道由斷層上盤方向向斷層下盤方向掘進(jìn)時（圖2 中②所示方向），需先后對巷道底板、頂板依次進(jìn)行支護(hù)加固。

圖2 巷道掘進(jìn)方向與斷層位置示意圖

2.2 順槽巷道過斷層支護(hù)設(shè)計(jì)

（1）支護(hù)方案

由于矩形巷道在巷幫與頂板交接處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且在經(jīng)過斷層時更易發(fā)生冒頂現(xiàn)象，不利于巷道的掘進(jìn)和支護(hù)。因此，計(jì)劃將原先設(shè)計(jì)的矩形斷面更改為半圓拱形斷面，初次支護(hù)為“注漿錨索+金屬網(wǎng)+錨桿+初噴混凝土”，二次支護(hù)設(shè)計(jì)為“U型鋼支架+復(fù)噴混凝土”。

將順槽巷道的斷面尺寸更改為：原矩形巷道的下半部保持不變，上半部分改為半圓形，即巷道掘?qū)挷蛔儯蚋吒臑?.2+1.5=3.7 m。巷道斷面圖如圖3。

圖3 巷道斷面及支護(hù)方案示意圖

此支護(hù)方案有以下優(yōu)點(diǎn)：初次支護(hù)中，通過注漿錨索向四周圍巖體注入水泥漿液，既使得錨索的支護(hù)作用大大提高，而且在圍巖體中擴(kuò)散的水泥漿液也會與圍巖體粘結(jié)為一體[3]，使得圍巖體的承載能力和穩(wěn)定性都有所提高，增強(qiáng)巷道支護(hù)效果。初支中的“金屬網(wǎng)+錨桿”支護(hù)，結(jié)合復(fù)支中的U 型鋼支架支護(hù)，使得巷道的變形能夠在很大程度上得到控制，進(jìn)一步提高了圍巖體的承載力和穩(wěn)定性。

（2）支護(hù)參數(shù)

支護(hù)參數(shù)包括注漿錨索和錨桿的排間距、材料以及混凝土噴層的配比、厚度等參數(shù)。

① 注漿錨索

根據(jù)現(xiàn)場情況和施工經(jīng)驗(yàn)確定注漿錨索的參數(shù)見表1。

表1 注漿錨索參數(shù)表

② 錨桿

由懸吊理論[4]可知，錨桿的計(jì)算長度l 的表達(dá)式為：

式中：l1為外露長度，m；l2為有效長度，m；l3為錨固長度，m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取l1=0.15 m，l3=0.65 m。

對于頂板錨桿，l2等于冒落拱的高度h，其計(jì)算公式為：

式中：k 為修正系數(shù)，取k=1.5；n 為計(jì)算系數(shù)，取n=0.22；α0為半圓拱所對應(yīng)的角度，取α0=180°；l0為巷道掘?qū)挘琹0=4.4 m。

將以上參數(shù)代入式（2）計(jì)算得h=1.4 m，則l2=h=1.4 m。

則 錨 桿 的 計(jì) 算 長 度 為：l=l1+l2+l3=0.15+1.4+0.65=2.2 m。

根據(jù)錨桿錨固力的計(jì)算公式，有：

式中：Q 為錨固力，kN，可根據(jù)材料和經(jīng)驗(yàn)取值；σt為錨桿抗拉強(qiáng)度，MPa；d 為錨桿直徑，m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取Q=100 kN，σt=350 MPa，根據(jù)式（3）可計(jì)算得錨桿的直徑d=0.019 m，取d=20 mm。

錨桿間距的計(jì)算公式為：

式中：s 為錨桿間距，m；c 為巖體粘聚力， kN/m2；γ 為圍巖體容重，kN/m3。

取c=11.2 kN/m2，γ=18.9 kN/m3，則 根 據(jù) 公 式（4）得錨桿的間距s=0.57 m，取錨桿間距為0.6 m。取錨桿排距為0.6 m，則錨桿的布置為0.6 m×0.6 m方形布置。在斷層附近，錨桿可適當(dāng)加密。

③ 混凝土噴層

每立方米砼中各材料用量為：水泥480 kg，水250 L，砂0.7 m3，石子0.8 m3，速凝劑14 kg。取噴層厚度0.2 m，其中初次支護(hù)和二次支護(hù)各噴0.1 m。

④ 金屬網(wǎng)

金屬網(wǎng)所用鋼筋直徑為8 mm，鋼筋的排間距均為0.1 m，即金屬網(wǎng)格的規(guī)格為0.1 m×0.1 m。

⑤ U 型鋼支架

U 型鋼支架選用“直腿+半圓拱”型支架，斷面內(nèi)為4 個節(jié)點(diǎn)、5 段支架。

3 施工技術(shù)及監(jiān)測方案

3.1 施工技術(shù)

由以上分析可知，當(dāng)巷道掘進(jìn)方向與斷層走向垂直時，巷道兩幫水平應(yīng)力較小，可減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，對巷道支護(hù)有利，因此巷道掘進(jìn)應(yīng)盡量選擇與斷層走向垂直的方向。在斷層處易發(fā)生冒頂即底板塌陷情況，因此應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。具體施工步驟如圖4。

圖4 巷道過斷層施工步驟

3.2 監(jiān)測方案

監(jiān)測方案主要分為兩個部分：頂板離層監(jiān)測和圍巖變形監(jiān)測。

（1）頂板離層監(jiān)測

在巷道頂板中心位置處安裝離層儀，對頂板的離層情況進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，距離斷層最近的測站讀數(shù)最大，淺基點(diǎn)讀數(shù)為8 mm，深基點(diǎn)讀數(shù)為12 mm。由監(jiān)測結(jié)果可知，頂板離層得到非常有效的控制，說明巷道支護(hù)效果良好。

（2）圍巖變形監(jiān)測

分別在斷層位置處和在距離斷層位置7 m 處各布置1 個測站，安裝數(shù)顯收斂計(jì)用以監(jiān)測圍巖表面的變形量，每個斷面布置4個測力計(jì)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，斷層位置處的測站讀數(shù)最大，即最靠近斷層的圍巖變形量最大。測力計(jì)讀數(shù)如圖5。

圖5 斷層位置圍巖表面變形量

由監(jiān)測結(jié)果可知，斷層位置處巷道左右兩幫最大移進(jìn)量分別為7.79 mm、12.05 mm，最大底鼓量和最大頂板下沉量分別為1.48 mm、20.87 mm，圍巖表面雖出現(xiàn)較大變形情況，但滿足支護(hù)要求。

4 結(jié)論

針對斷層對巷道掘進(jìn)和支護(hù)的影響，有針對性地提出5-1021 巷過斷層支護(hù)方案，并對巷道頂板離層和圍巖表面變形等情況進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明：在斷層處巷道頂板離層量最大、圍巖表面變形量最大，說明斷層對巷道圍巖的穩(wěn)定性具有很大程度的影響。但通過對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)后，這些參數(shù)都在可接受范圍內(nèi)，說明支護(hù)設(shè)計(jì)使得巷道圍巖的穩(wěn)定性得到了有效保障。