高水平应力巷道破碎带支护技术研究

文/李广俊

高水平应力巷道破碎带支护技术研究

文/李广俊

山西省长治经坊煤业有限公司隶属于山西煤炭进出口集团控股管理，经多次改、扩建后现生产能力240万t/a，目前开采3号煤层，井田面积30.7422km2。随着3号煤层八采区开采水平的不断延伸，煤层赋存深度达到了450m。西二集中大巷为八采区开拓巷道，设计沿N75°W方向布置有回风、运输和轨道三条大巷。其中，西二集中轨道掘进过程中揭露斜交断层三条，加之北侧F7-2断层走向N73°W，H=11.2m∠75°。受断层的影响，巷道围岩破碎、易风化，巷道稳定性极差。本文结合经坊煤业西二集中运输大巷地应力和地质构造特征，提出了合理的巷道支护方案。该技术有效地控制了巷道破碎带围岩变形量，取得了较好的技术效果和经济效益，对类似地质条件巷道支护具有推广及借鉴价值。

一、地质情况概述

3号煤层位于山西组中下部，煤层厚度3.27～7.95m，平均6.02m，煤层结构较简单。直接顶为炭质泥岩，平均厚度6.65m，层理较发育。基本顶为粉砂岩，平均厚度3.55 m，胶结坚硬，强度较大。直接底为砂质泥岩（局部相变为炭质泥岩），平均厚度5.53m，层理发育。基本底为细砂岩，平均厚度3.82m，硅质胶结，致密坚硬。下层夹矸一般距煤层底板0.80～1.10m左右。

井田位于晋城～获鹿断褶带与武乡～阳城凹褶带之间，受区域构造带的控制，地层倾角小于15°，井田总体为一向北西倾伏的单斜构造。井田内落差大于20m断层4条，均为高角度正断层；落差大于等于5m小于20m的断层21条；陷落柱发育20条。

3号煤层西二集中大巷应力测试结果显示：应力场类型为σH＞σV＞σh型；最大水平主应力为20.45MPa，最小水平主应力为11.44MPa；垂直应力为13.75MPa；最大水平主应力方向为N16.9°E，与西二集中大巷掘进方向夹角85°。

根据西二集中大巷高水平应力区域井下钻探过程，揭露煤层直接顶、基本顶、直接底、基本底体积节理数，结合所取岩芯的RQD指标、所取岩芯的节理裂隙发育程度及围岩分类指标，初步判定该区域巷道围岩岩体完整性系数分别为：基本顶0.55～0.35；直接顶0.20～0.40；直接底0.35～0.15；基本底0.55～0.35。综合3号煤层顶底板岩层岩石力学参数，判定该高水平应力区域围岩分类级别属于IV类层间结合不良的薄层、中厚层和软硬岩互层结构。

二、影响破碎围岩变形破坏的因素

地下工程巷道开挖前，围岩原岩处于原始三向应力平衡状态。随着巷道开挖和扰动，原岩应力平衡状态遭到破坏，新应力的重新分布引起了围岩的变形和破坏。受赋存深度、地质构造及地应力的影响，围岩破碎带岩体松散、承载能力差，变形破坏严重，给围岩控制带来诸多不便。通过对经坊煤业西二集中运输大巷破碎带围岩变形、破坏研究，认为影响该巷道变形破坏的主要因素有：

1.受构造应力和巷道开挖的作用，原岩体内产生破断和裂隙。当应力重新分布时，岩体会沿断裂面出现剪切变形破坏，导致了围岩自承能力降低，这是巷道变形破坏的主要因素之一。

2.经坊煤矿西二集中大巷平均埋藏深度430m，垂直应力达13.75MPa。随着巷道开挖，围岩原始应力平衡状态遭到破坏，岩体内出现应力重新分布和应力集中。当集中应力超过巷道支护强度时，巷道变形加剧；严重时常引起巷道失稳。

3.掘进巷道穿越高水平应力区域时，原岩应力平衡状态遭到破坏，巷道两帮变形破坏明显加剧。当巷道掘进方向与水平应力方向垂直时，变形破坏达到最大值。

4.西二集中运输大巷受断层和平缓褶曲构造应力的影响，围岩岩体内积聚一定的构造应力，是巷道变形破坏的重要因素之一。

三、支护设计

1.支护形式和参数选择原则

结合经坊煤矿西二集中轨道大巷破碎带围岩变形破坏特点，其支护形式和参数选取主要遵循以下原则：

(1)一次性支护原则。由于巷道服务年限较长，一次性有效控制围岩变形，选用联合支护充分发挥支护效果，是安全生产和降低巷道维修成本的要求。

(2)高预应力原则。预应力参数选取是区分主动支护和被动支护的关键因素，高预应力充分发挥支护的主动性，是提高锚固体整体性和完整性的要求。

(3)可操作性和经济合理原则。支护形式的选择还应与井下施工条件相适应，在保证巷道支护效果和安全的条件下，做到经济合理，有利于巷道支护成本控制。

2.支护设计

根据西二集中大巷破碎带地应力和围岩变形破坏特征，在上述支护形式和参数原则的基础上，破碎带围岩支护采用“锚网+U型架+喷浆”的联合支护方式。

支护参数如下：

(1)锚杆：锚杆采用φ22× 2400mm左旋螺纹钢锚杆，间、排距都为800×800mm。预紧力矩300N· m，锚固力为120KN。

(2)锚索：采用φ22×6500mm，19股高强度低松弛预应力钢绞线，间、排距为2500×1800mm，预应力150KN，锚固力为300KN。

(3)树脂锚固剂：MSK2335和MSZ2360型树脂锚固剂配合使用。

(4)金属网规格：金属网使用10#铁丝制作的经纬金属网，网格为50×50mm。

(5)钢筋梁：钢筋梁用φ14圆钢制作，规格：顶钢筋梁80× 5100mm；帮钢筋梁80×3100mm。

(6)托盘：锚杆托盘采用150× 150×10mm拱形高强度金属托盘，配合球形垫和减阻尼龙垫圈，托盘拱高要求大于36mm，承载能力不低于230KN；锚索托盘采用300× 300×20mm金属托盘，锁具采用KM-22。

(7)U型架：选用29U型钢分三段搭接制作，搭接长度不小于450 mm，U型架间采用Ф18钢筋钩连接，U型架排距1000mm。

(8)喷浆：喷射混凝土强度为C25，厚度120mm。

四、巷道围岩变形观测及结论

高应力区域巷道掘进过程中，采用十字布点法，每10m安设一个表面位移测站。观测方法为：在C、D之间拉紧测绳，A、B之间拉紧钢卷尺，测读AO、AB值；在A、B之间拉紧测绳，C、D之间拉紧钢卷尺，测读CO、CD值；测量精度要求达到1mm，并估计出0.5mm；采用皮卷尺测量监测断面距掘进工作面的距离。测量频度为安装完成后7天时间内每天进行观测，超过安装7天后每周进行观测一次。十字布点法如下图所示。

十字布点法

围岩变形观测结果分析表明：巷道开挖1～5天期间为围岩弹塑性变形阶段；6～11天期间为围岩蠕变阶段；11天以上为围岩变形稳定阶段。因此，“锚网+U型架+喷浆”的联合支护方式满足了巷道安全施工及工程质量验收要求。

（作者单位：山西省长治经坊煤业有限公司）

（责任编辑：周琼）