铺龙湾矿51102巷掘进过断层破碎带全锚索支护技术研究

（山西铺龙湾煤业有限公司 山西 037100）

随着矿井采深的增加，煤炭回采、巷道掘进时受到断层等地质构造影响更趋明显。在地质构造影响下，煤层、地层等连续性遭受破坏，局部区域煤岩体破碎，给煤炭正常生产带来显著威胁[1-3]。特别是回采巷道掘进过断层破碎带时，围岩破碎、巷道支护困难，如何实现巷道围岩的有效控制是煤炭开采时需要解决的现实问题[4]。文中以铺龙湾矿51102巷掘进过F4断层为研究对象，在分析断层对巷道掘进影响基础上，提出采用全锚索支护技术控制断层破碎带围岩，现场应用取得显著效果。

1.工程概况

51102巷为5110工作面回风巷，巷道设计掘进1817m，巷道设计断面为矩形，面宽×高=4500mm×3000mm，沿着5#煤层底板施工。5#煤层赋存较为稳定，煤层整体倾向W—SW。根据5108已采工作面及待采51121顺槽揭露煤层情况，预测5110工作面开采的5#煤厚在7.27～8.85m，煤层夹杂有3～5层泥岩、砂质泥岩矸石，夹石厚度0.3～1.0m。5#煤层顶底板岩层岩性以泥岩、中砂岩以及砂质泥岩为主，具体见表1。

表1 5#煤层顶、底板情况

依据三维地震探测资料以及临近的5108、5112工作面回采揭露断层情况，预计51102巷掘进期间会揭露7条断层，均为正断层，具体断层参数见表2。预计F4、F6、F7断层会给巷道正常掘进带来显著影响。受到断层影响，51102巷掘进范围内围岩破碎，给巷道掘进安全带来显著的影响。

表2 断层参数

2.断层对51102巷围岩控制影响分析

(1)断层影响带内构造应力复杂

51102巷掘进范围内分布有多条落差在0.5～5.6m的正断层，在断层附近地质构造应力分布复杂且正应力方向为垂直方向。巷道掘进至断层附近时，受到开挖掘进影响，构造应力平衡被打破，应力重新分布。当巷道围岩支护强度难以抵抗断层构造应力时，会造成巷道围岩出现大变形甚至出现围岩结构失稳问题。

(2)围岩稳定性较低

51102巷沿着5#煤层底板施工，5#煤顶底板岩性以泥岩、砂质泥岩为主，同时岩层中含有伊利石、蒙脱石等遇水容易膨胀岩层。巷道掘进期间遇水底板会出现底鼓问题，从而造成巷道断面明显缩小。从采面回采巷道掘进围岩变形监测数据得知，巷道掘进期间底板底鼓变形量约为顶板下沉量的1.5～2.2倍。

(3)围岩破碎

巷道掘进至断层破碎带内后，巷道围岩破碎、承载能力以及稳定性较差，巷道采用原有的2.0m锚杆支护时，围岩破碎从而无法给锚杆支护体系提供稳定的锚固端，导致锚杆支护效果较差。

3.全锚索支护技术

(1)支护原理

当巷道围岩稳定、完整时，围岩支护体系中锚索主要起到悬吊作用，即将巷道顶板浅部应力向深部转移，从而控制顶板下沉量。当巷道围岩破碎时，由于锚索给围岩提供的加固作用明显高于锚杆，在锚索预应力作用下可将巷道破碎围岩加固成一个结构相对完成的承载单元，从而降低巷道围岩变形量。

51102巷围岩在断层作用下破碎，在锚索护表结构共同作用下，可对巷道破碎围岩进行加固，从而对巷道围岩有效控制。同时相对于锚杆，由于锚索长度、强度以及预应力更大，巷道破碎围岩内加固形成的平衡拱承载能力增强。锚索一般为柔性材料，可根据现场情况布置几米甚至十几米，有效控制巷道顶板下沉。因此，采用锚索控制巷道围岩变形时，应依据巷道施工进度、施工难度结合围岩岩性参数，合理设计支护参数，达到支护成本以及围岩控制效果间平衡。

(2)全锚索支护设计

51102巷过F4断层破碎带期间采用的全锚索支护参数设计依据工程类比法确定[5-7]，具体围岩支护时采用的材料主要有金属网、锚索、W钢带等，巷道顶板采用长锚索、短锚索相结合方式控制变形；巷帮则采用锚杆控制变形。具体巷道掘进过断层破碎带时围岩支护设计见图1。

图1 51102巷全锚索支护示意图

顶板支护采用的锚索规格分别为φ17.8mm×12300mm、φ17.8mm×6300mm钢绞线锚索，锚索按照1000mm×1000mm间排距布置，一排布置5个（2根长锚索、3根短锚索），顶板两侧锚索均有15°外插角。锚索采用树脂锚固剂锚固，锚固长度为2000mm，锚索施工时提供的预紧力控制在120kN。顶板护表结构为W型钢带，长度为4500mm，每隔1000mm有锚索孔眼；锚索支护时采用的U型钢长度为1200mm，并间距1000mm有锚索孔眼。通过W钢带、U型钢以及锚索给巷道顶板足够的预紧力，从而提高顶板控制效果。

巷道巷帮采用φ20mm×2400mm螺纹钢锚杆进行支护，锚杆按照850mm×850mm间排距进行施工。在巷帮通过金属网与锚杆结合降低变形量。

4.围岩控制效果

为了检验全锚索支护围岩控制效果，在51102巷过F4断层期间对顶板岩层离层情况，围岩变形量以及顶板锚索受力情况进行监测，具体锚索受力以及顶底板变形情况见图2。

图2 锚索受力以及顶底板变形情

从监测结果看出，顶板岩层离层量在滞后掘进迎头约60m位置时趋于稳定，离层量值介于25～33mm，平均离层量为30mm；巷帮变形量在滞后掘进迎头约65m时趋于稳定，变形量值介于55～60mm间，均值为58mm；顶底板岩层变形量在滞后掘进迎头约55m时趋于稳定，变形量值介于58～67mm，均值为62mm；锚索受力在滞后掘进迎头约10m时开始显著增加，滞后掘进迎头约58～80m时（其中3个测点在滞后掘进迎头55m时达到峰值；1个测点在滞后掘进迎头80m时达到峰值）受力达到峰值且趋于稳定，锚索平均受力达到192kN，在承载范围内。

从全锚索支护完成后巷道围岩矿压显现观测结果得知，采用全锚索支护时巷道围岩变形控制效果较好，可有效控制破碎围岩变形。

5.总结

（1）巷道掘进段断层期间，在断层破碎带内围岩破碎、构造应力发育，巷道围岩控制难度增加，采用原有的锚杆+锚索支护系统无法起到有效控制围岩变形目的。为此，在分析断层对巷道围岩控制影响基础上，提出采用全锚索支护技术控制围岩变形，并具体对巷道过断层破碎带期间全锚索支护参数进行设计。

（2）现场应用后，巷道过断层破碎带期间顶板岩层离层量、巷帮及顶底板变形量均在安全值范围内，全锚索支护方案有效控制了巷道周边破碎岩层变形，现场应用取得显著效果。