掘进巷道过断层优化支护研究

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　　摘 要：高阳煤矿所采的二采区地质构造复杂，陷落柱发育，多见断层。本次研究针对高阳矿二采区巷道掘进过程中遇到的断层地质构造时，分析巷道破坏情况，钻孔窥视，优化过地质构造变化带的支护方案，为高阳矿今后掘进过程中遇到类似地质构造情况的巷道支护提供指导方向。
　　关键词：断层;优化支护 ;钻孔窥视
　　1 工作面概况
　　1.1 基本情况
　　21105工作面开采太原组9-10-11#煤，其邻近的21103工作面煤层总厚度平均约8.8m，煤层结构为1.3（0.42）7.08，属复杂结构煤层，稳定可采，煤种为瘦煤。煤层倾角最大11°，最小2°，平均6.5°。
　　1.2 顶、底板情况
　　1.3 地质构造
　　21105工作面地质构造较复杂，为一单斜构造区，其产状总体为走向北东，倾向北西，倾角平均8°。21105运输巷现掘进至A15点前91m，根据现场地质情况分析，工作面揭露一条H=10m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
　　巷道在继续掘进期间巷道断面由矩形断面变为三心拱断面，巷宽5100mm，拱高1600mm，墙高1600mm，巷道高度为3200mm，掘断面积15m2。
　　2.1.2 支护参数
　　拱顶及两帮采用φ20×2200mm的螺纹钢锚杆，“七·七”放射形布置，锚杆间距为900mm，排距为1000mm，每根螺纹钢配套使用两支树脂药卷，上部为CK2355，下部为K2355;两帮均采用φ20×2200mm的螺纹钢锚杆支护“二·二”布置，间距900mm，排距1000mm，每根螺纹钢配套使用两支k2355树脂药卷;顶、帮锚杆均配套使用一块长×宽=300×400×3mm的钢带托块;顶板锚索支为“二·二”布置，间距2000mm，排距1000mm。锚索采用￠17.8×4000mm的锚索，每根锚索配套一块长×宽×厚=300×300×14mm的铁板，锚索垫片规格为长×宽×厚=90×90×10mm的铁板（见图1）。每根锚索均配套两支药卷，下部为K2355，上部为CK2355。顶、帮均要求铺设长×宽=2×1m的钢筋网，网于网搭接，搭接深度100mm，联网距不大于250mm，联网丝扭结不少于3扣。巷道施工完毕后，喷浆50mm厚，喷浆紧跟工作面。
　　2.2 原支护方案的理论分析
　　现场观察发现，该巷道过断层区间基本为全岩巷，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，顶板锚桿、锚索布置过于集中。锚杆，锚索间排距较小，支护过于保守，密集的布置锚杆锚索，一方面加大了钻孔长度，严重影响掘进效率，另一方面密集的支护构件对围岩的完整性会造成破坏，使得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，而且对围岩的支护效果并没有更多积极作用，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。
　　3 优化支护研究
　　3.1 断层破碎带钻孔窥视
　　对于21105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4.2m煤连接0.8m岩层，煤体完整性较好，松动圈范围约为1m，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2m，在1.2m深度范围内，有较大裂隙出现，在0.7m范围内钻孔完整度较差，判断为巷道帮部法向裂隙，宽度约1cm。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0.1m、1.1m、0.5m，松动圈范围为1.6m，全段都存在裂隙，在1m深度处存在着一条宽度接近5cm的大裂隙。可以得出：
　　①21105运输巷过下跳断层段巷道，在B、C两测站属于过断层构造的岩层破碎带。可见C站帮部裂隙较多，甚至出现大裂纹，宽度在0.5cm-3cm不等，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。
　　②21105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8cm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φ20×2200mm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900mm增加为1100mm;顶板锚索由“二·二”布置优化为在顶板中心布置一排锚索，排距由2000mm缩减至1000mm;其他支护参数保持不变，优化后的支护布置图见图2。
　　3.3 锚杆、锚索预紧力的确定
　　锚杆预应力是由在锚杆安装过程中的预紧力矩实现的。在锚杆安装过程中，对锚杆螺母施加的力矩，转换为对锚杆杆体施加的轴向拉力，即锚杆预紧力。锚杆预应力等于锚杆预紧力与杆体横截面积的比值。将锚杆预应力与杆体屈服强度的比值，称为锚杆主动支护系数，锚杆的主动支护特性是由锚杆的预紧力实现的。
　　高阳矿所用螺纹钢锚杆直径Φ20mm预紧力应为37.7-62.8kN。
　　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，N;M为施加的预紧扭矩，N·m;D为锚杆直径，m;K为与锚杆螺纹的形式、接触面、材料、导程、杆径等有关的系数。
　　经过计算，高阳矿所用螺纹钢锚杆直径Φ20mm预紧扭矩应达到：
　　高阳所采用Φ17.8mm锚索预应力应达到150-180kN，Φ20mm直径螺纹钢锚杆预紧扭矩不低于286.5N.m。
　　4 结论
　　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。
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