掘进巷道过断层破碎带支护设计优化

张青杰

（霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司，山西 霍州 031400）

0 引言

近几年，随着矿井采掘深度的不断延伸，在开采煤层地质构造发育复杂的巷道时，断层处理技术非常关键。断层是开采上下煤层受围岩应力挤压，失稳造成的，严重破坏了煤岩层的整体稳定性，给巷道支护增加了困难，降低了巷道掘进速度。巷道掘进过程中，在遇到断层时由于巷道顶板离层、破碎，采用传统的巷道支护方式，巷道的整体锚固性差，易发生冒顶的现象。随着时间的推移，断层部位的围岩应力逐步增大，传统的支护方式难以支撑顶板岩层，导致破碎带顶板成层状破碎并不断向巷道顶板的深部扩散，引发大面积的巷道顶板漏顶。为此，国内诸多学者开展相关研究，张景公[1]针对潘北矿东翼-490 m 放水大巷过DF13 断层破碎带巷道顶板压力大，岩石裂隙发育，易导致顶板冒顶的情况，对原有的巷道支护技术进行优化设计，设计采用了超前综合支护技术，为掘进巷道过断层支护提供参考。以白龙矿10-312 工作面掘进巷道为工程背景，对巷道过断层顶板破碎的支护方式进行优化设计，有效保证矿井的安全生产。

1 10-312 工作面概况

1.1 基本情况

白龙矿位于山西霍州白龙镇，井田面积31.65 km2，设计生产能力120 万t/a，采煤工艺采用综合机械化沿煤层顶底板一次性回采走向长壁采煤技术。10-312 工作面开采太原组10 号煤，开采煤层厚度3.2～6.5 m，平均厚度约4.85 m，煤层结构系数为1.4，属地质构造较复杂煤层，开采煤种主要为瘦煤。煤层倾角3.5°～9.7°，平均倾角6.6°[2]。

1.2 顶底板情况

巷道顶底板岩性情况见表1。

表1 巷道顶底板岩性情况

1.3 地质构造

10-312 工作面地质构造较复杂，为单斜构造区，其产状总体为走向北东，倾向北西，倾角平均8°。10-312 运输巷现掘进至A15 点前91 m，根据现场地质情况分析，工作面揭露1 条落差H=10 m 的下跳正断层。

2 原支护方案分析

2.1 原支护参数

2.1.1 断面尺寸

巷道在掘进期间，前期为矩形断面设计施工，为提高巷道支护的稳定性，优化设计为“三心拱”断面施工，巷道宽5100 mm，拱高1600 mm，巷道高度为3200 mm，掘断面积15 m2[3]。

2.1.2 支护参数

拱顶及两帮采用Φ20 mm×2400 mm 的螺纹钢锚杆，“七七”放射形布置，锚杆间距为900 mm、排距为1000 mm，每根螺纹钢配套使用2 支树脂药卷，上部为CK2355，下部为K2355；两帮均采用Φ20 mm×2200 mm 的螺纹钢锚杆支护“二二”布置，间距900 mm、排距1000 mm，每根螺纹钢配套使用2 支K2355树脂药卷；顶、帮锚杆均配套使用1 块长×宽=300mm×400 mm×3 mm 的钢带托块；顶板锚索支为“二二”布置，间距2000 mm、排距1000 mm。锚索采用Φ22 mm×8000 mm 的锚索，每根锚索配套1 块长×宽×厚=300 mm×300 mm×14 mm 的铁板，锚索垫片规格为长×宽×厚=90 mm×90 mm×10 mm 的铁板见图1。每根锚索均配套2 支药卷，下部为K2355，上部为CK2355。顶、帮均要求铺设长×宽=2 mm×1 m的钢筋网，网与网搭接，搭接深度100 mm，联网距不大于250 mm，联网丝扭结不少于3 扣。巷道施工完毕后，喷浆厚50 mm，喷浆紧跟工作面，回采巷道过正断层支护布置如图1 所示。

图1 10-312 回采巷道过正断层支护布置（单位：mm）

2.2 原支护方案的理论分析

经过现场动态监测发现，10-312 工作面在过断层期间基本为全岩巷，巷道周围围岩属泥岩及坚硬的灰岩，巷道表面的围岩收敛并不明显，但围岩表面也有多处破碎现象。

研究发现在现有支护中，顶板锚杆、锚索布置过于集中。锚杆、锚索间排距较小，支护过于密集，高密度的设置锚杆和锚索，不仅增加了锚杆的钻孔深度，而且降低了巷道掘进速度；还有较密集联合支护方式在一定程度上会对巷道围岩的稳定性造成破坏，导致巷道围岩无法充分发挥自承能力。由此可见，在过此类距离较长的岩层巷道，现有的支护方式费时费力，不仅对围岩的支护效果并没有更多积极作用，还会形成支护冗余，支护材料浪费的现象，所以要合理经济地实现支护最优化[4]。

3 优化支护研究

3.1 断层破碎带钻孔窥视

对于10-312 运输巷地质变化区进行取点钻孔窥视，分别取A、B、C 三个点。C 点处顶板为4.2 m 煤连接0.8 m 岩层，煤体完整性较好，松动圈范围约为1 m，无明显裂隙。A 点处帮部在测试深度范围内为煤层，无岩石，帮部围岩破碎程度较高，松动范围约2 m，在1.2 m 深度范围内，有较大裂隙出现，在0.7 m 范围内钻孔完整度较差，判断为巷道帮部法向裂隙，宽度约1 cm。B 点处顶板为地质变化区，从外到内为煤-岩-煤分布，长度分别为0.1 m、1.1 m、0.5 m，松动圈范围为1.6 m，全段都存在裂隙，在1 m 深度处存在着1 条宽度接近5 cm 的大裂隙。可以得出：

1）10-312 运输巷过下跳断层段巷道，在B、C 两点属于过断层构造的岩层破碎带。可见C 点帮部裂隙较多，甚至出现大裂纹，宽度在0.5～3 cm，B 站顶板全段裂隙很多，松动范围也较大。推断认定为过断层围岩破碎带，岩性极差，开挖造成的围岩扰动，所以在巷道进断层初见岩、出断层初见煤时，在断层破碎带应加强支护，锚杆锚索长度及支护密度应根据围岩性质和现场围岩的破碎程度做适当的合理性调整。

2）10-312 运输巷地质变化区下倾前顶板较差，三段分布都存在着不同程度的破碎，尤其是中部岩体存在着宽达8 cm 的大裂隙，由于破碎高度并不深，需防范该段的顶板冒落，本次观测的断层构造带无涌水现象，带对于过断层破碎带应警惕突水事故的发生。

3.2 优化支护方案

拱形顶板采用Φ22 mm×2500 mm 的螺纹钢锚杆，由“七七”放射形布置优化为“六六”放射形布置，锚杆间距由900 mm 增加为1100 mm；顶板锚索由“二二”布置优化为在顶板中心布置1 排锚索，排距由2000 mm 缩减至1000 mm；其他支护参数保持不变，优化后的支护布置见图2。

图2 10-312 回采巷道过正断层优化支护布置图（单位：mm）

3.3 锚杆、锚索预紧力的确定

锚杆的预应力是实施张拉时所施加的预应力。而锚杆、锚索的预紧力主要是安装施工锚杆、锚索过程中，借助螺母对锚杆、锚索施加所产生的主动扭矩，来实现主动支护效果。巷道支护时在安装锚杆的过程中，对螺母施加的力矩直接转变为对锚杆杆体所施加的轴向拉力。锚杆预应力的计算主要是锚杆预紧力和锚杆杆体横截面积对比值。锚杆的主动支护系数则是锚杆预应力和锚杆杆体屈服强度的对比值。白龙矿所用螺纹钢锚杆直径Φ20 mm，预紧力应为37.7～62.8 kN。

锚杆尾部螺母承受的预紧扭矩与锚杆预紧力的关系为：

式中：p0为锚杆预紧力，取37.7～62.8 kN；M 为施加的预紧扭矩，N·m；D 为锚杆直径，取20 mm；K 为与锚杆的杆体、横截面、杆体直径相关的系数，取0.38。经过计算，10-312 工作面掘进巷道过断层期间所采用的螺纹钢锚杆直径Φ20 mm，将数值代入公式得出预紧扭矩为：M=286.5 N·m。

10-312 工作面巷道掘进期间所采用Φ17.8 mm锚索预应力应达到150～180 kN，Φ20 mm 直径螺纹钢锚杆预紧扭矩不低于286.5 N·m。

4 结语

通过以上研究，对于下跳断层过岩层巷道，围岩较为稳定，破坏程度较低，原有巷道支护密集，这导致在巷道掘进期间的支护耗时耗力，影响掘进效率的同时，多余的巷道支护构件极有可能破坏巷道围岩的整体性，优化支护方案与原支护方案相比，降低支护成本，提高支护掘进速度的同时，依然可以保证巷道在掘进过程中的安全稳定性。