掘進巷道過斷層優(yōu)化支護研究

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(jié)構(gòu)為1.3（0.42）7.08，屬復雜結(jié)構(gòu)煤層，穩(wěn)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(zhì)構(gòu)造
　　21105工作面地質(zhì)構(gòu)造較復雜，為一單斜構(gòu)造區(qū)，其產(chǎn)狀總體為走向北東，傾向北西，傾角平均8°。21105運輸巷現(xiàn)掘進至A15點前91m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)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(shù)
　　2.1.1 斷面尺寸
　　巷道在繼續(xù)掘進期間巷道斷面由矩形斷面變?yōu)槿墓皵嗝妫飳?100mm，拱高1600mm，墻高1600mm，巷道高度為3200mm，掘斷面積15m2。
　　2.1.2 支護參數(shù)
　　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(guī)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(wǎng)，網(wǎng)于網(wǎng)搭接，搭接深度100mm，聯(lián)網(wǎng)距不大于250mm，聯(lián)網(wǎng)絲扭結(jié)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(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，該巷道過斷層區(qū)間基本為全巖巷，巷道周圍圍巖屬泥巖及堅硬的灰?guī)r，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(xiàn)象。
　　研究發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)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(gòu)件對圍巖的完整性會造成破壞，使得圍巖無法充分發(fā)揮自承能力。由此可見，在過此類距離較長的巖層巷道，現(xiàn)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(xiàn)象，所以要合理經(jīng)濟地實現(xiàn)支護最優(yōu)化。
　　3 優(yōu)化支護研究
　　3.1 斷層破碎帶鉆孔窺視
　　對于21105運輸巷地質(zhì)變化區(qū)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(nèi)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(nèi)，有較大裂隙出現(xiàn)，在0.7m范圍內(nèi)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(zhì)變化區(qū)，從外到內(nèi)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?？梢缘贸觯?
　?、?1105運輸巷過下跳斷層段巷道，在B、C兩測站屬于過斷層構(gòu)造的巖層破碎帶?？梢奀站幫部裂隙較多，甚至出現(xiàn)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(jù)圍巖性質(zhì)和現(xiàn)場圍巖的破碎程度做適當?shù)暮侠硇哉{(diào)整。
　?、?1105運輸巷地質(zhì)變化區(qū)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(gòu)造帶無涌水現(xiàn)象，帶對于過斷層破碎帶應警惕突水事故的發(fā)生。
　　3.2 優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(shù)保持不變，優(yōu)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(xiàn)的。在錨桿安裝過程中，對錨桿螺母施加的力矩，轉(zhuǎn)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(shù)，錨桿的主動支護特性是由錨桿的預緊力實現(xiàn)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(shù)。
　　經(jīng)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。