掘進巷道過斷層優化支護研究

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　　摘 要：高陽煤礦所采的二采區地質構造復雜，陷落柱發育，多見斷層。本次研究針對高陽礦二采區巷道掘進過程中遇到的斷層地質構造時，分析巷道破壞情況，鉆孔窺視，優化過地質構造變化帶的支護方案，為高陽礦今后掘進過程中遇到類似地質構造情況的巷道支護提供指導方向。
　　關鍵詞：斷層;優化支護 ;鉆孔窺視
　　1 工作面概況
　　1.1 基本情況
　　21105工作面開采太原組9-10-11#煤，其鄰近的21103工作面煤層總厚度平均約8.8m，煤層結構為1.3（0.42）7.08，屬復雜結構煤層，穩定可采，煤種為瘦煤。煤層傾角最大11°，最小2°，平均6.5°。
　　1.2 頂、底板情況
　　1.3 地質構造
　　21105工作面地質構造較復雜，為一單斜構造區，其產狀總體為走向北東，傾向北西，傾角平均8°。21105運輸巷現掘進至A15點前91m，根據現場地質情況分析，工作面揭露一條H=10m的下跳正斷層。
　　2 原支護方案分析
　　2.1 原支護參數
　　2.1.1 斷面尺寸
　　巷道在繼續掘進期間巷道斷面由矩形斷面變為三心拱斷面，巷寬5100mm，拱高1600mm，墻高1600mm，巷道高度為3200mm，掘斷面積15m2。
　　2.1.2 支護參數
　　拱頂及兩幫采用φ20×2200mm的螺紋鋼錨桿，“七·七”放射形布置，錨桿間距為900mm，排距為1000mm，每根螺紋鋼配套使用兩支樹脂藥卷，上部為CK2355，下部為K2355;兩幫均采用φ20×2200mm的螺紋鋼錨桿支護“二·二”布置，間距900mm，排距1000mm，每根螺紋鋼配套使用兩支k2355樹脂藥卷;頂、幫錨桿均配套使用一塊長×寬=300×400×3mm的鋼帶托塊;頂板錨索支為“二·二”布置，間距2000mm，排距1000mm。錨索采用￠17.8×4000mm的錨索，每根錨索配套一塊長×寬×厚=300×300×14mm的鐵板，錨索墊片規格為長×寬×厚=90×90×10mm的鐵板（見圖1）。每根錨索均配套兩支藥卷，下部為K2355，上部為CK2355。頂、幫均要求鋪設長×寬=2×1m的鋼筋網，網于網搭接，搭接深度100mm，聯網距不大于250mm，聯網絲扭結不少于3扣。巷道施工完畢后，噴漿50mm厚，噴漿緊跟工作面。
　　2.2 原支護方案的理論分析
　　現場觀察發現，該巷道過斷層區間基本為全巖巷，巷道周圍圍巖屬泥巖及堅硬的灰巖，巷道表面的圍巖收斂并不明顯，但圍巖表面也有多處破碎現象。
　　研究發現在現有支護中，頂板錨桿、錨索布置過于集中。錨桿，錨索間排距較小，支護過于保守，密集的布置錨桿錨索，一方面加大了鉆孔長度，嚴重影響掘進效率，另一方面密集的支護構件對圍巖的完整性會造成破壞，使得圍巖無法充分發揮自承能力。由此可見，在過此類距離較長的巖層巷道，現有的支護方式費時費力，而且對圍巖的支護效果并沒有更多積極作用，會形成支護冗余，支護材料浪費的現象，所以要合理經濟地實現支護最優化。
　　3 優化支護研究
　　3.1 斷層破碎帶鉆孔窺視
　　對于21105運輸巷地質變化區進行取點鉆孔窺視，分別取A、B、C三個點。C點處頂板為4.2m煤連接0.8m巖層，煤體完整性較好，松動圈范圍約為1m，無明顯裂隙。A點處幫部在測試深度范圍內為煤層，無巖石，幫部圍巖破碎程度較高，松動范圍約2m，在1.2m深度范圍內，有較大裂隙出現，在0.7m范圍內鉆孔完整度較差，判斷為巷道幫部法向裂隙，寬度約1cm。B點處頂板為地質變化區，從外到內為煤—巖—煤分布，長度分別為0.1m、1.1m、0.5m，松動圈范圍為1.6m，全段都存在裂隙，在1m深度處存在著一條寬度接近5cm的大裂隙。可以得出：
　?、?1105運輸巷過下跳斷層段巷道，在B、C兩測站屬于過斷層構造的巖層破碎帶?？梢奀站幫部裂隙較多，甚至出現大裂紋，寬度在0.5cm-3cm不等，B站頂板全段裂隙很多，松動范圍也較大。推斷認定為過斷層圍巖破碎帶，巖性極差，開挖造成的圍巖擾動，所以在巷道進斷層初見巖、出斷層初見煤時，在斷層破碎帶應加強支護，錨桿錨索長度及支護密度應根據圍巖性質和現場圍巖的破碎程度做適當的合理性調整。
　?、?1105運輸巷地質變化區下傾前頂板較差，三段分布都存在著不同程度的破碎，尤其是中部巖體存在著寬達8cm的大裂隙，由于破碎高度并不深，需防范該段的頂板冒落，本次觀測的斷層構造帶無涌水現象，帶對于過斷層破碎帶應警惕突水事故的發生。
　　3.2 優化支護方案
　　拱形頂板采用φ20×2200mm的螺紋鋼錨桿，由“七·七”放射形布置優化為“六·六”放射形布置，錨桿間距由900mm增加為1100mm;頂板錨索由“二·二”布置優化為在頂板中心布置一排錨索，排距由2000mm縮減至1000mm;其他支護參數保持不變，優化后的支護布置圖見圖2。
　　3.3 錨桿、錨索預緊力的確定
　　錨桿預應力是由在錨桿安裝過程中的預緊力矩實現的。在錨桿安裝過程中，對錨桿螺母施加的力矩，轉換為對錨桿桿體施加的軸向拉力，即錨桿預緊力。錨桿預應力等于錨桿預緊力與桿體橫截面積的比值。將錨桿預應力與桿體屈服強度的比值，稱為錨桿主動支護系數，錨桿的主動支護特性是由錨桿的預緊力實現的。
　　高陽礦所用螺紋鋼錨桿直徑Φ20mm預緊力應為37.7-62.8kN。
　　錨桿尾部螺母承受的預緊扭矩與錨桿預緊力的關系為：
　　式中：P0為錨桿預緊力，N;M為施加的預緊扭矩，N·m;D為錨桿直徑，m;K為與錨桿螺紋的形式、接觸面、材料、導程、桿徑等有關的系數。
　　經過計算，高陽礦所用螺紋鋼錨桿直徑Φ20mm預緊扭矩應達到：
　　高陽所采用Φ17.8mm錨索預應力應達到150-180kN，Φ20mm直徑螺紋鋼錨桿預緊扭矩不低于286.5N.m。
　　4 結論
　　通過以上研究，對于下跳斷層過巖層巷道，圍巖較為穩定，破壞程度較低，原有巷道支護密集，這導致在巷道掘進期間的支護耗時耗力，影響掘進效率的同時，多余的巷道支護構件極有可能破壞巷道圍巖的整體性，優化支護方案與原支護方案相比，降低支護成本，提高支護掘進速度的同時，依然可以保證巷道在掘進過程中的安全穩定性。
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