望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带支护研究.pdf

132023 年第 8 期梁 彬：望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带支护研究望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带支护研究梁 彬（山西兰花科技创业股份有限公司望云煤矿分公司，山西 晋城 048411）摘 要 为保障望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带的施工安全及长期稳定，通过钻孔窥视、数值模拟等方法，探究断层构造影响下围岩松动圈发育特征，以组合拱理论为基础对锚杆、锚索支护进行优化设计，采用可伸缩 U 型钢架提高支护强度，数值模拟验证支护方案的可行性，实现了快速顺利通过 F15 断层，为后续巷道支护及施工提供可靠参考。关键词 直墙半圆拱断面；组合拱理论；松动圈中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.005Research on Support for Developing Main Roadway Crossing the Fault Broken Zone in Wangyun Coal MineLiang Bin(Shanxi Lanhua Sci-tech Venture Co.,Ltd.,Wangyun Coal Mine Branch,Shanxi Jincheng 048411)Abstract:In order to ensure the safety and long-term stability of the construction of Wangyun Coal Mines development main roadway crossing the fault broken zone,the development characteristics of the surrounding rock loose zone under the influence of fault structure are explored by means of drilling peep and numerical simulation.Based on the combined arch theory,the anchor bolt and anchor cable support are optimized and designed.The telescopic U-shaped steel frame is used to improve the support strength.The feasibility of the support scheme is verified by numerical simulation verification,and the fast and smooth passage of the F15 fault is achieved,which provides reliable reference for subsequent roadway support and construction.Key words:straight wall semi circular arch section;combined arch theory;loose circle收稿日期 2022-10-11作者简介 梁彬（1988），男，山西晋城人，2016 年毕业于中国矿业大学安全工程专业，助理工程师，现就职于山西兰花科技创业股份有限公司望云煤矿分公司，从事安全管理、矿压支护、开采技术工作。梁 彬：望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带支护研究1 工程概况为形成望云煤矿矿井北部开拓生产系统，设计了15#煤层北翼轨道大巷，掘进长度1062 m（平距）。15#煤层厚度 5.35.64 m，为稳定的全区可采煤层。基本顶为 K2 灰岩，厚度 5.726.66 m，直接底为铝土质泥岩，厚度 5.648.1 m，质软，易碎。根据巷道布置及上覆 3#煤层井巷揭露情况，北翼轨道大巷待掘段里程 94 m 处将揭露 F15 正断层，里程 371 m处揭露 F16 正断层，里程 647 m 处揭露 F18 正断层。根据东区 3#煤层采空区积水物探勘查报告中描述，这些断层为导水性较弱断层，在井田内延伸长度不明，预计会对掘进造成一定影响。为保障巷道通过断层期间施工安全及断层处巷道的长期稳定，对其支护方案进行研究。2 北翼轨道大巷支护及松动圈实测2.1 北翼轨道大巷原支护北翼轨道大巷为直墙半圆拱断面，净宽 5.4 m、净高 4.1 m。顶锚索布置：锚索规格 17.8 mm7300 mm，采 用“2-0-2”布 置，间 距 1800 mm，排距 2000 mm，配套 300 mm300 mm16 mm 的钢托板和长 250 mm 的 14#槽钢梁，锚固剂型号 MSCKa2335/MSZ2360。顶锚杆间距 900 mm，排距 1000 mm，锚杆以半圆拱形巷道圆心为起点向拱墙呈放射性打设，每排 8 根；高强螺纹钢锚杆规格 20 mm2100 mm，锚固剂型号 MSCKa2335/MSZ2360；采用 6#钢筋网护顶，网格 100 mm100 mm，网片2000 mm1200 mm，采用搭接方式联网，搭接长度为 200 mm，用 14#铅丝双丝双扣，双排隔孔相联，扭结三圈以上。帮锚杆布置：锚杆间距142023 年第 8 期800 mm，排距 1000 mm，锚杆为 20 mm2100 mm 螺纹钢锚杆；采用 6#钢筋网护帮，网格 100 mm100 mm，网片 2000 mm1200 mm，采用搭接方式联网，搭接长度为 200 mm，用 14#铅丝双丝双扣，双排隔孔相联，扭结三圈以上。底板硬化：底板硬化厚度为 200 mm，混凝土强度为 C20。墙基础：墙基础深度为 100 mm。2.2 松动圈现场测试为掌握断层构造影响下巷道围岩松动圈发育特征1，在北翼轨道大巷即将揭露 F15 正断层时，设计采用钻孔成像技术进行松动圈实测。窥视钻孔由直径 28 mm 的钻头施工，顶板、两帮各布置一个钻孔，顶板孔深5 m，帮部孔深3 m。共设置5个监测站，采用 CXK28 矿用钻孔成像仪观察钻孔内裂缝发育情况。以距 F15 正断层 5 m 的 1#测站顶板窥视孔为例，其典型的观测情况如图 1。深度 0.34 m 处存在较多的小型空洞，深度 0.731.19 m 范围内存在较多的环向及纵向裂隙，深度 1.68 m 处存在较大的空洞，围岩破碎严重，深度 1.98 m 处存在纵向裂隙，深度大于 1.98 m 后，围岩无明显的裂隙，钻孔孔壁光洁完整，由此判断此处松动圈范围约为 1.98 m。采用该种方法依次进行各测站、各部位围岩裂隙发育情况的探查，总结各处松动圈发育深度详见表1。巷道与断层距离越近，围岩松动圈范围越大。1#测站距迎头最近，松动圈平均发育深度为 1.84 m，5#测站距断层最远，松动圈平均发育深度为 1.15 m。断层构造附近松动圈范围相对于正常巷段扩大了0.69 m，属于大松动圈巷道。图 1 窥视结果示意图3 巷道支护方案优化北翼轨道大巷原锚杆、锚索支护方案是基于组合拱理论、悬吊理论进行设计，由于断层构造影响下，巷道松动圈发育范围增大，由中小松动圈变为大松动圈巷道，属于类不稳定围岩，原有支护参数已不合理。原设计锚杆长度 2.1 m，断层附近松动圈发育深度已达到 1.98 m，由此将锚杆长度优化为2.6 m。松动圈大小与锚杆间排距关系2如式（1）：Lp=（btan+a）/tan （1）式中：Lp为松动圈发育深度，m；b 为组合拱厚度，松动圈为 200250 cm 时，组合拱经验值为1.01.2 m；为锚杆控制角，取 45。预计断层构造附近松动发育范围可达 2.0 m，由此设计组合拱厚度 1.2 m，根据式（1）可反推计算锚杆间排距 a=（Lp-b）tan45=0.8 m，且锚杆间排距应小于其长度的 1/2，即锚杆间排距应小于 1.3 m，因此取锚杆间排距为0.8 m。组合拱支护理论示意图如图2（a）。北翼轨道大巷服务年限预计为 2530 a，为保障断层处巷道围岩的长久稳定，设计支护形式的基础上增设 U 型钢可缩性支架，并在支架间复喷混凝土，由此提高支护结构的整体强度，为断层破碎区围岩提供支护反力，控制巷道表面的变形。钢支架采用三节 U25 钢拼接构成，支架间距 0.8 m，棚腿下端焊接一块 300 mm300 mm10 mm 的钢板。综上，设计北翼轨道大巷过断层期间支护方案如图2（b）所示，支护形式为“锚杆+锚索+金属网+喷砼+可缩性 U 型钢支架+复喷砼”联合支护。表 1 围岩松动圈测试结果测站编号测站位置测试部位松动圈发育深度/m平均深度/m1#距断层 5 m顶板1.981.84左帮1.74右帮1.792#距断层 8 m顶板1.861.76左帮1.67右帮1.753#距断层 11 m顶板1.351.30左帮1.29右帮1.264#距断层 14 m顶板1.341.18左帮1.11右帮1.085#距断层 17 m顶板1.431.15左帮1.05右帮0.98（a）组合拱支护理论示意图 152023 年第 8 期梁 彬：望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带支护研究（b）巷道支护断面（mm）图 2 组合拱理论及北翼轨道大巷支护示意图4 支护效果模拟研究为探究上述支护方案的合理性，根据北翼轨道大巷工程地质条件，运用 FLAC 软件针对断层构造带巷道开挖支护进行模拟研究3-4。建模尺寸 100 m80 m110 m，底板 30 m，顶板 67.4 m，15#煤层厚度 5.5 m，巷道沿煤层顶板布置。模型由左边界至右边界依次布置边界煤柱、巷道、边界煤柱，巷道宽度为 5.4 m，直墙高度 1.4 m，半圆拱半径2.7 m，断层走向 N8W，倾向 N82E，预测倾角约75，落差 10 m，两盘之间核心破碎带宽度 2.5 m。表面喷层支护采用 Elastic 实体单元进行模拟，U 型钢支架采用 beam 单元进行模拟，锚杆、锚索采用cable 单元进行模拟。支护模拟详见图 3。（a）锚网索+喷层 （b）U 型钢架图 3 巷道支护模拟方案示意图截取巷道位于断层破碎带内围岩塑性区分布情况如图 4 所示。原有支护条件下，顶板正上方岩层塑性破坏深度 2.0 m，肩角处围岩塑性破坏深度达到 5.0 m，两帮塑性破坏深度达到 2.75 m，底角围岩塑性破坏深度达4.5 m，巷道围岩整体破坏较严重。优化支护方案条件下，顶板正上方岩层塑性破坏深度 1.0 m，肩角处围岩塑性破坏深度 3.0 m，两帮塑性破坏深度达到 1.75 m，底角围岩塑性破坏深度达2.5 m，相较于原支护条件下，围岩塑性区发育范围和深度整体减小约 50%。监测巷道表面位移量结果表明，优化方案条件下，围岩变形量较原支护方案条件下减小 65%以上，故此支护形式肯定能保证断层附近巷道围岩稳定。（a）原支护方案 （b）优化支护方案图 4 围岩塑性破坏区模拟结果5 矿压监测结果15#煤层北翼轨道大巷穿越断层破碎区域位置前后 10 m 采用上述“锚杆+锚索+金属网+喷砼+可缩性 U 型钢支架+复喷砼”支护方案，短掘、短支快速穿越断层构造带，断层处布置表面位移量测站，监测结果如图 5。巷道开挖前 7 d 变形达到总变形的 70%以上，21 d 后围岩渐渐趋于稳定，顶板下沉量 18.8 mm，底鼓量 13.6 mm，两帮累计移近量 18.6 mm。掘巷围岩稳定后，巷道表面变形量微小，变形速率均趋于零，巷道安全稳定性良好，故此支护形式保证了断层附近巷道围岩稳定。（a）两帮变形 （b）顶、底板变形图 5 过断层期间围岩变形曲线6 结论 1）北翼轨道大巷即将揭露 F15 正断层时，采用钻孔成像技术进行松动圈实测。研究表明，随着巷道与断层构造距离的减小，围岩松动圈发育范围（下转第 21 页）212023 年第 8 期李海鹏：近断层煤层巷道的差异化支护技术研究与应用 （a）区段 （b）区段图 6 矿压监测结果5 结论与建议南沟煤业 20203 运输顺槽紧邻 F60 断层，为保障巷道围岩稳定性，通过数值模拟、矿压监测等方法，研究确定合理断层保护煤柱宽度为 20 m。基于不同断层保护煤柱条件下巷道围岩破坏特征，将巷道分为、区段（煤柱 20 m），、区段（煤柱 20 m），、区段采用高强锚网索+底角控让耦合支护，、区段采用非对称、断层侧煤帮补强支护。数值模拟研究表明所设计的支护方案具有可行性。工程应用期间通过矿压监测表明，巷道围岩整体稳定性良好，能够满足工作面安全生产的服务需求。【参考文献】1 谭文兵，冯钰炜，杜侠飞，等.近断层深部巷道变形破坏分析及支护研究 J.有色金属(矿山部分)，2022，74（02）：46-52.2 冯兴隆，李争荣，者亚雷，等.断层穿过巷道固帮控底稳顶支护 J.中国矿山工程，2022，51（01）：28-32.3 许向东.掘进工作面过断层运输与回风巷道支护及效果分析 J.科技和产业，2021，21（04）：310-313.4 宋伟.过大断层破碎带时巷道支护方式探析 J.矿业装备，2021（01）：14-15.逐渐增大，预计原支护方案无法保证巷道安全顺利通过断层及其后期使用期间的长久稳定。2）结合松动圈理论对北翼轨道大巷过断层期间支护方案进行优化设计，锚杆长度优化为 2.6 m，布置排间距 0.8 m，并设计采用 U 型钢架补强支护技术。数值模拟研究表明，优化方案条件下围岩塑性区分布范围和深度相较于原方案减小 50%，方案具有可行性。3）北翼轨道大巷采用短掘、短支快速穿越断层构造带，矿压监测结果表明，巷道表面变形微小，巷道安全稳定性良好，保障了掘进工作面安全快速通过断层区域和后期使用期间围岩的长期稳定。【参考文献】1 王鑫勇.松软煤层大巷过断层支护技术研究 J.山东煤炭科技，2021，39（08）：92-93+96+108.2 陈鹏，高瑞荣.运输大巷过断层施工技术实践 J.煤炭技术，2021，40（08）：52-54.3 张建超，曹其嘉.上湾煤矿运输大巷过断层围岩变形破坏特征研究J.陕西煤炭，2020，39（05）：25-29.4 张连伟.东欢坨矿南翼运输大巷过断层构造带施工技术 J.煤炭工程，2020，52（06）：76-80.（上接第 15 页）（上接第 17 页）了柔膜混凝土充填沿空留巷支护方案，开发了柔膜混凝土充填沿空留巷支护技术，留巷后支护结构和围岩完整性较好，适应安全生产的需求。【参考文献】1 贺淼鑫，赵利安.中厚煤层切顶卸压沿空留巷参数设计与实践 J.中国矿业，2022，31（03）：88-96.2 宋江涛.慈林山煤矿高水材料巷旁充填沿空留巷技术研究 J.山西煤炭，2022，42（01）：68-75.3 刘志轩.沿空留巷“卸压+柔模支护”控制技术的应用 J.山东煤炭科技，2022，40（02）：36-38.4 陈勇，孟宁康，杨玉贵，等.沿空留巷巷旁充填体稳定性控制技术研究 J.煤炭科学技术，2019，47（09）：273-278.5 朱登兴，郑西贵，郭玉，等.沿空留巷巷旁墙体稳定性关键影响因素模拟 J.煤矿安全，2019，50（01）：196-199.