（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司 山西 037100）

隨著礦井采深的增加，煤炭回采、巷道掘進時受到斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響更趨明顯。在地質(zhì)構(gòu)造影響下，煤層、地層等連續(xù)性遭受破壞，局部區(qū)域煤巖體破碎，給煤炭正常生產(chǎn)帶來顯著威脅[1-3]。特別是回采巷道掘進過斷層破碎帶時，圍巖破碎、巷道支護困難，如何實現(xiàn)巷道圍巖的有效控制是煤炭開采時需要解決的現(xiàn)實問題[4]。文中以鋪龍灣礦51102巷掘進過F4斷層為研究對象，在分析斷層對巷道掘進影響基礎(chǔ)上，提出采用全錨索支護技術(shù)控制斷層破碎帶圍巖，現(xiàn)場應(yīng)用取得顯著效果。

1.工程概況

51102巷為5110工作面回風巷，巷道設(shè)計掘進1817m，巷道設(shè)計斷面為矩形，面寬×高=4500mm×3000mm，沿著5#煤層底板施工。5#煤層賦存較為穩(wěn)定，煤層整體傾向W—SW。根據(jù)5108已采工作面及待采51121順槽揭露煤層情況，預測5110工作面開采的5#煤厚在7.27～8.85m，煤層夾雜有3～5層泥巖、砂質(zhì)泥巖矸石，夾石厚度0.3～1.0m。5#煤層頂?shù)装鍘r層巖性以泥巖、中砂巖以及砂質(zhì)泥巖為主，具體見表1。

表1 5#煤層頂、底板情況

依據(jù)三維地震探測資料以及臨近的5108、5112工作面回采揭露斷層情況，預計51102巷掘進期間會揭露7條斷層，均為正斷層，具體斷層參數(shù)見表2。預計F4、F6、F7斷層會給巷道正常掘進帶來顯著影響。受到斷層影響，51102巷掘進范圍內(nèi)圍巖破碎，給巷道掘進安全帶來顯著的影響。

表2 斷層參數(shù)

2.斷層對51102巷圍巖控制影響分析

(1)斷層影響帶內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力復雜

51102巷掘進范圍內(nèi)分布有多條落差在0.5～5.6m的正斷層，在斷層附近地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力分布復雜且正應(yīng)力方向為垂直方向。巷道掘進至斷層附近時，受到開挖掘進影響，構(gòu)造應(yīng)力平衡被打破，應(yīng)力重新分布。當巷道圍巖支護強度難以抵抗斷層構(gòu)造應(yīng)力時，會造成巷道圍巖出現(xiàn)大變形甚至出現(xiàn)圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題。

(2)圍巖穩(wěn)定性較低

51102巷沿著5#煤層底板施工，5#煤頂?shù)装鍘r性以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，同時巖層中含有伊利石、蒙脫石等遇水容易膨脹巖層。巷道掘進期間遇水底板會出現(xiàn)底鼓問題，從而造成巷道斷面明顯縮小。從采面回采巷道掘進圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)得知，巷道掘進期間底板底鼓變形量約為頂板下沉量的1.5～2.2倍。

(3)圍巖破碎

巷道掘進至斷層破碎帶內(nèi)后，巷道圍巖破碎、承載能力以及穩(wěn)定性較差，巷道采用原有的2.0m錨桿支護時，圍巖破碎從而無法給錨桿支護體系提供穩(wěn)定的錨固端，導致錨桿支護效果較差。

3.全錨索支護技術(shù)

(1)支護原理

當巷道圍巖穩(wěn)定、完整時，圍巖支護體系中錨索主要起到懸吊作用，即將巷道頂板淺部應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而控制頂板下沉量。當巷道圍巖破碎時，由于錨索給圍巖提供的加固作用明顯高于錨桿，在錨索預應(yīng)力作用下可將巷道破碎圍巖加固成一個結(jié)構(gòu)相對完成的承載單元，從而降低巷道圍巖變形量。

51102巷圍巖在斷層作用下破碎，在錨索護表結(jié)構(gòu)共同作用下，可對巷道破碎圍巖進行加固，從而對巷道圍巖有效控制。同時相對于錨桿，由于錨索長度、強度以及預應(yīng)力更大，巷道破碎圍巖內(nèi)加固形成的平衡拱承載能力增強。錨索一般為柔性材料，可根據(jù)現(xiàn)場情況布置幾米甚至十幾米，有效控制巷道頂板下沉。因此，采用錨索控制巷道圍巖變形時，應(yīng)依據(jù)巷道施工進度、施工難度結(jié)合圍巖巖性參數(shù)，合理設(shè)計支護參數(shù)，達到支護成本以及圍巖控制效果間平衡。

(2)全錨索支護設(shè)計

51102巷過F4斷層破碎帶期間采用的全錨索支護參數(shù)設(shè)計依據(jù)工程類比法確定[5-7]，具體圍巖支護時采用的材料主要有金屬網(wǎng)、錨索、W鋼帶等，巷道頂板采用長錨索、短錨索相結(jié)合方式控制變形；巷幫則采用錨桿控制變形。具體巷道掘進過斷層破碎帶時圍巖支護設(shè)計見圖1。

圖1 51102巷全錨索支護示意圖

頂板支護采用的錨索規(guī)格分別為φ17.8mm×12300mm、φ17.8mm×6300mm鋼絞線錨索，錨索按照1000mm×1000mm間排距布置，一排布置5個（2根長錨索、3根短錨索），頂板兩側(cè)錨索均有15°外插角。錨索采用樹脂錨固劑錨固，錨固長度為2000mm，錨索施工時提供的預緊力控制在120kN。頂板護表結(jié)構(gòu)為W型鋼帶，長度為4500mm，每隔1000mm有錨索孔眼；錨索支護時采用的U型鋼長度為1200mm，并間距1000mm有錨索孔眼。通過W鋼帶、U型鋼以及錨索給巷道頂板足夠的預緊力，從而提高頂板控制效果。

巷道巷幫采用φ20mm×2400mm螺紋鋼錨桿進行支護，錨桿按照850mm×850mm間排距進行施工。在巷幫通過金屬網(wǎng)與錨桿結(jié)合降低變形量。

4.圍巖控制效果

為了檢驗全錨索支護圍巖控制效果，在51102巷過F4斷層期間對頂板巖層離層情況，圍巖變形量以及頂板錨索受力情況進行監(jiān)測，具體錨索受力以及頂?shù)装遄冃吻闆r見圖2。

圖2 錨索受力以及頂?shù)装遄冃吻?/p>

從監(jiān)測結(jié)果看出，頂板巖層離層量在滯后掘進迎頭約60m位置時趨于穩(wěn)定，離層量值介于25～33mm，平均離層量為30mm；巷幫變形量在滯后掘進迎頭約65m時趨于穩(wěn)定，變形量值介于55～60mm間，均值為58mm；頂?shù)装鍘r層變形量在滯后掘進迎頭約55m時趨于穩(wěn)定，變形量值介于58～67mm，均值為62mm；錨索受力在滯后掘進迎頭約10m時開始顯著增加，滯后掘進迎頭約58～80m時（其中3個測點在滯后掘進迎頭55m時達到峰值；1個測點在滯后掘進迎頭80m時達到峰值）受力達到峰值且趨于穩(wěn)定，錨索平均受力達到192kN，在承載范圍內(nèi)。

從全錨索支護完成后巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)觀測結(jié)果得知，采用全錨索支護時巷道圍巖變形控制效果較好，可有效控制破碎圍巖變形。

5.總結(jié)

（1）巷道掘進段斷層期間，在斷層破碎帶內(nèi)圍巖破碎、構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育，巷道圍巖控制難度增加，采用原有的錨桿+錨索支護系統(tǒng)無法起到有效控制圍巖變形目的。為此，在分析斷層對巷道圍巖控制影響基礎(chǔ)上，提出采用全錨索支護技術(shù)控制圍巖變形，并具體對巷道過斷層破碎帶期間全錨索支護參數(shù)進行設(shè)計。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用后，巷道過斷層破碎帶期間頂板巖層離層量、巷幫及頂?shù)装遄冃瘟烤诎踩捣秶鷥?nèi)，全錨索支護方案有效控制了巷道周邊破碎巖層變形，現(xiàn)場應(yīng)用取得顯著效果。