断层群下软岩巷道支护机理研究

断层群下软岩巷道支护机理研究

杨军

淮北矿业(集团)有限责任公司杨柳煤矿  安徽淮北 235129

摘要：随着煤矿开采强度和深度的不断增加，越来越进入地质条件更复杂的区域。在地质构造较发育区域掘进巷道时，围岩整体稳定性、完整性都受到破坏，巷道支护难度再加大。因此，研究复杂地段的巷道支护非常必要。

关键词：断层群；围岩破坏机理；变形监控；一段一策

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引言：近年来，随着煤矿采煤技术的高速发展和资源开采强度的增加，开采水平越来越向地层深部和地质条件更复杂的地区。但是巷道在地质构造较发育区域掘进时，构造应力逐渐成为影响巷道维护的主要因素。在构造应力作用下，巷道围岩整体稳定性、完整性受到破坏，导致巷道过地质构造期间出现围岩破碎严重、控制难度大、变形严重等技术难题。同时，在构造应力场作用下通常存在应力集中系数高、区域内巷道轴向难以与构造主应力方向协调等客观原因，使得巷道支护难度加大。特别在软岩巷道中，由于巷道布置在软弱的煤岩层中，若巷道支护措施不当，就会造成巷道变形急剧增大、支护体易被严重破坏等动力现象。

杨柳煤矿109采区轨道大巷布置在10#煤层底板，大巷顶板距10#煤层底板法距17.6～37.2m，施工层位以粉砂岩、细砂岩、泥岩为主，直接顶为软弱泥岩。根据巷道附近钻孔实揭资料分析，109采区轨道大巷施工期间将揭露多条断层，且断层落差均较大（最大落差可达45m）。在断层群强构造应力影响下，109采区轨道大巷围岩抗拉、剪切强度会大幅下滑，导致大巷时有围岩破碎、脱顶等矿山压力显现现象发生。因此，基于柳煤矿109采区轨道大巷具体施工地质条件，开展断层群强构造应力下大断面软岩巷道围岩破坏机理及变形控制研究，对保障109采区后期安全高效生产能力起到至关重要的作用，同时也为该类巷道支护提供理论依据及技术支撑，具有重要的理论和现实意义。

1.原支护方案下轨道大巷围岩变形破坏特征

109采区轨道大巷断面形状为直墙半圆拱形，断面尺寸（净宽×净高）为5000×4000mm，原支护形式为“锚网索喷”支护（如图1所示），具体技术参数如下：①锚网。起拱线以上采用锚网支护，规格Φ22×2800mm，间排距800×800mm，每排15根；每根锚杆使用两卷 Z2950型树脂锚固剂锚固；全断面铺设钢筋网。②锚索。锚索规格Φ22×6300mm，间排距2000×1600mm，每排3根（中顶1根及肩部2根），每根锚索使用三卷Z2950型树脂锚固剂锚固。③喷浆。喷浆厚度100mm，强度等级C20。

根据现场调研，原支护方案下，109采区轨道大巷前期现场掘进施工中，巷道支护效果表现尚可。但是，随着巷道掘进施工进入断层影响区域后，巷道围岩变形破坏现象明显（如图2所示）。原支护方案并不完全适用于109采区轨道大巷的实际地质条件，尤其是在受断层影响区域，原支护方案支护效果较差，难以有效控制巷道围岩变形。

2.杨柳煤矿109采区轨道大巷一段一策支护方案

2.1 断层影响段。断层影响段巷道支护形式为“锚网+架喷注”支护，巷道支护方案如图3所示。①锚网。起拱线以上采用锚网支护，规格Φ22×2800mm，间排距600×800mm，每排13根；每根锚杆使用两卷Z2950型树脂锚固剂锚固；全断面铺设钢筋网。②U型钢棚。采用U29型钢棚，搭接长度500mm，棚距800mm，使用铁背板配合钢筋网腰帮过顶；距巷道底板800mm处，施工2根锚杆配合U型卡对每根U型棚腿进行再次加固固定，锚杆规格Φ22×2800mm，每根锚杆使用2卷Z2950型树脂锚固剂锚固。③注浆锚杆。采用中空螺旋钢注浆锚杆，规格Φ25×2500mm，每排7 根，间排距1800×1600mm；注浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为1:1，注浆量以不发生大量跑浆为准。④喷浆。喷浆厚度100mm，强度等级C20。⑤锚索（梁）。锚索规格Φ22×6300mm，间排距2000×1600mm，每排3根，每根锚索使用三卷Z2950型树脂锚固剂锚固；锚索梁采用11#工字钢，长度3.1m，一梁托四棚布置。

2.2 穿断层段。断层影响段巷道支护形式为“锚网+架喷注”支护，巷道支护方案如图4所示。①锚网。起拱线以上采用锚网支护，规格Φ22×2800mm，间排距800×800mm，每排11根；每根锚杆使用两卷Z2950型树脂锚固剂锚固；全断面铺设钢筋网。②U型钢棚。架棚采用U29型钢棚，架棚净宽（起拱）5200mm，净高4100mm，搭接长度500mm，棚距中～中800mm，使用铁背板配合钢筋网腰帮过顶；在距巷道底板800mm处，施工2根锚杆配合U型卡对每根U型棚腿进行再次加固固定，锚杆规格Φ22×2800mm，每根锚杆使用2卷Z2950型树脂锚固剂锚固。③注浆锚杆。采用中空螺旋钢注浆锚杆，规格Φ25×2500mm，每排7根，间排距1800×1600mm；注浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为1:1，注浆量以不发生大量跑浆为准。④喷浆。喷浆厚度100mm，强度等级C20。⑤锚索（梁）。锚索规格Φ22×6300mm，间排距2000×1600mm，每排3根，每根锚索使用三卷Z2950型树脂锚固剂锚固；锚索梁采用11#工字钢，长度3.1m，一梁托四棚布置。

2.3 非断层影响段。非断层影响段支护形式为“锚网索喷”支护，巷道支护方案如图5所示。①锚网。锚杆规格Φ22×2800mm，间排距800×800mm，每排15根；每根锚杆使用两卷Z2950型树脂锚固剂锚固；全断面铺设钢筋网。②锚索。锚索规格Φ22×6300mm（中顶1根及两肩窝2根）、Φ22×4100mm（两帮各2根）；每根锚索采用三卷Z2950型树脂锚固剂锚固，间排距1600×1600mm。③喷浆。喷浆厚度100mm，强度等级C20。

断层群影响下不同分段支护方案的应用，有效保障了109采区轨道大巷的整体支护质量，巷道平均断面均不低于原设计断面的70%。不同分段巷道现场效果如图6所示。

3.杨柳煤矿109采区轨道大巷不同分段应用效果分析

采用锚杆应力计与巷道表面变形测站对109轨道大巷锚杆应力状态与巷道变形量进行现场监测。巷道锚杆应力监测结果表明，穿断层段与非断层影响段的巷道顶板锚杆工作阻力逐渐趋于稳定，最终锚杆载荷峰值平均达到34.9kN。从整体上看，锚杆工作阻力发挥较好，锚杆工作阻力随围岩变形而增加，能够及时有效的发挥其支护加固作用，穿断层段与非断层影响段支护方案合理可行。巷道围岩应力监测结果表明，断层影响段围岩应力最终稳定在11.4MPa左右，可见支护方案应用效果良好，围岩完整程度高，仍具有较好的承载能力，断层影响段支护方案合理可行。巷道围岩表面位移监测结果表明：断层影响段顶底板相对移近量最大为62mm，两帮相对移近量最大为51mm；穿断层段顶底板相对移近量最大为22mm，两帮相对移近量最大为24mm；非断层影响段顶底板相对移近量最大为5mm，两帮相对移近量最大为8mm；109采区轨道大巷采用分段支护方案后，巷道围岩变形量得到了有效控制，能够满足巷道长期安全稳定的要求。

结 论：针对109采区轨道大巷实际情况，提出了一段一策支护方案，断层影响段及穿断层段采用“锚网+架喷注”主被动联合支护，非断层影响段采用“锚网索喷”主动联合支护。将最优支护方案应用于109采区轨道大巷进行现场工业性试验，通过监测研究区域锚杆应力状态、巷道围岩应力及巷道表面位移，综合评价了轨道大巷不同分段围岩控制效果，验证了各分段支护方案的合理性与可靠性。煤矿生产根据现场施工条件和矿井生产技术水平，可尝试在断层影响区域巷道差异化选用支护构件，如采用大直径、高强度锚（索）杆；以及加长锚杆锚固长度或采用全长锚固的方法进行支护，在保证巷道围岩安全稳定的情况下，以实现巷道一次支护强度最大化，提高巷道掘进施工效率。

参考文献:

[1]刘高，韩文峰等.高应力软岩巷道围岩破坏研究[J].岩石力学与工程学报2000，19（6）：726-730

作者简介：杨军（1988-），男，山西大同，汉族，2011年毕业于华北科技学院采矿工程，工程师，现主要从事煤矿掘进技术方面的工作。

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