10-208工作面胶带顺槽过断层影响带的支护研究_张国英.pdf

172023 年第 5 期张国英：10-208 工作面胶带顺槽过断层影响带的支护研究张国英：10-208 工作面胶带顺槽过断层影响带的支护研究10-208 工作面胶带顺槽过断层影响带的支护研究张国英（山西焦煤霍州煤电集团有限公司，山西 吕梁 033000）摘 要 针对木瓜煤矿 10-208 工作面胶带巷顺槽过断层段巷道围岩支护困难的问题，根据胶带巷顺槽过断层段工程地质条件，采用理论计算和数值模拟相结合的方法，确定了过断层巷道“锚杆索+金属网+单体液压支柱、型钢梁”联合支护方案。结果表明：应用该联合支护方案后，巷道顶底板、两帮累计变形量分别为 31.4 mm、24.2 mm，且离层量较小，围岩变形破坏得到了有效控制。关键词 煤巷；断层；支护中图分类号 TD353 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.006Research on the Support of the 10-208 Working Face Tape Groove Passing through the Fault Affected ZoneZhang Guoying(Shanxi Coking Coal Huozhou Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Shanxi Lliang 033000)Abstract:In view of the problem of the difficulty in supporting the surrounding rock of the 10-208 working face tape roadway passing through the fault section of Mugua Coal Mine,based on the engineering geological conditions of the tape roadway groove passing through the fault section,a combined support scheme of anchor rod cable+metal mesh+single hydraulic prop,-shaped steel beam is determined using a combination of theoretical calculation and numerical simulation.The results show that after the application of this combined support scheme,the cumulative deformation amount of the roof,floor,and two sides of the roadway are 31.4 mm and 24.2 mm,respectively,and the separation amount is small.The deformation and failure of the surrounding rock are effectively controlled.Key words:coal roadway;fault;support收稿日期 2022-10-17作者简介 张国英（1986），男，山西临猗县人，2011 年毕业于太原理工大学采矿工程专业，本科，工程师，从事煤矿技术管理工作。张国英：10-208 工作面胶带顺槽过断层影响带的支护研究张国英：10-208 工作面胶带顺槽过断层影响带的支护研究在煤炭资源的开采过程中，在断层构造范围内掘进巷道时，围岩的稳定性控制是安全开采的重要保障。由于断层构造应力的作用，巷道围岩赋存环境及物理力学参数差异性较大，围岩支护困难，且变形严重，影响矿井的安全高效生产1-3。本文以木瓜煤矿 10-208 工作面胶带顺槽过断层段为工程背景，对巷道围岩支护参数进行合理设计，降低施工风险，保证巷道通过断层影响区域时的施工安全以及巷道围岩的长期稳定。1 工程概况10-208 工作面开采煤层为石炭系上统太原组的9+10号煤（合并层），9号、10号煤层间距0.20.4 m，煤层硬度为 23，中厚层状，赋存较稳定。煤层顶底板情况见表 1。表 1 煤层顶底板情况表名称岩石名称平均厚度/m岩 性 特 征基本顶灰岩7.811.89.8灰色，坚硬，中厚层状，块状结构，裂隙不发育泥岩1.41.61.5灰黑色，性脆质软，断口平坦灰岩5.47.56.45深灰色，致密坚硬，中厚层状，局部裂隙发育直接底泥岩4.57.35.9灰黑色，致软，性脆，中厚层状，局部含炭质基本底砂质泥岩3.07.75.35灰色、灰白色，半坚硬，中厚层状，具少量节理10-208 工作面对应地面标高+1045+1175 m，井下标高为+840+864 m。10-2081 胶带顺槽全长597.9 m，巷道为矩形断面，净宽4.0 m，净高度3.2 m。F79 断层倾向 209，倾角 46，正断层，落差 1.7 m，10-2081 胶带顺槽掘进期间对巷道围岩稳定性影182023 年第 5 期响较大，预计影响长度 30 m，需要对该段巷道围岩的支护进行加强设计，保证巷道掘进及后期运营时的安全。2 断层条件下巷道支护原理根据悬吊理论，当巷道的顶板岩体破碎时，巷道顶板会有松动破裂区的出现，增大锚杆索的支护强度，可以将容易坠落的岩体锚固在围岩深处没有发生松动的岩体之上。由组合拱理论可知，将锚杆安装在巷道围岩深部的破碎区，可以从锚杆的两端形成一个锥形的压应力区。锚网索联合支护技术可以增大巷道的开挖空间，增大锚杆的排距和间距，减少锚杆支护的数量，提高巷道的开挖进度。同时，通过锚索的悬吊作用，保持锚岩支护体和围岩的稳定。实践结果证明，锚网索联合支护技术对巷道围岩支护具有很好的适用性4-6。在断层破碎带范围内，首先要综合考虑围岩的强度与支护强度之间的关系，在巷道支护过程中通过提高支护的强度和支护密度，使得软弱、节理化的岩体能够保持相对稳定，进而有效控制巷道围岩的大变形7。3 支护参数理论计算3.1 锚杆参数计算1）锚杆长度 L=L1+L2+L3 （1）式中：L为锚杆长度，m；L1为锚杆的外露长度，一般 L1=0.15 m；L2为锚杆有效长度，m；L3为锚杆的锚固长度，端部锚固情况下取 0.3 m。由现场实际地质条件，巷道顶板直接顶不稳定厚度约为 1.5 m，则 L2=1.5 m。顶部锚杆长度：L顶=0.15+1.5+0.3=1.95 m。考虑到一定的安全系数8-9，锚杆长度取 2.0 m。帮部锚杆长度：L帮=2.0+0.15H/K （2）式中：H 为巷道的高度，根据现场实际取 3.0 m；K 为围岩力学性质相关系数，取 5。计算可得帮部锚杆长度 L帮为 2.1 m。考虑到一定的安全系数，同时尽量保证与顶部锚杆的长度统一，提高支护施工效率，帮部锚杆长度确定为2.0 m。2）确定锚杆间距、排距 aQ kh （3）式中：a 为锚杆间、排距，m；Q 为锚杆设计锚固力，帮锚杆 80 kN；h 为冒落高度，1.2 m；k为安全系数，取 3；为岩体容重，取 26.8 kN/m3。800.91 m3 1.2 26.8a考虑到一定的安全系数，综合考虑顶板、两帮锚杆间排距采用 900 mm900 mm。3）锚杆直径的选择锚杆直径计算公式：t=4/dQ （4）式中：d 为锚杆直径，mm；t为螺纹钢抗拉强度，取值为 450 MPa；Q 为锚杆锚固力，kN。3=4 150 10/450=20.6 mmd经计算并综合考虑，锚杆直径选用 22 mm。3.2 锚索参数计算1）锚索长度锚索长度：L=L1+Lb+Lm （5）式中：L为锚索长度，m；L1为锚索的外露长度，取值 0.4 m；Lb为潜在的不稳定岩层高度，取 4.2 m；Lm为锚索的锚固长度，取 1.3 m。经计算同时综合考虑一定的安全系数，锚索长度 L 取值为 6.0 m。2）锚索直径 b4 LD （6）在锚索布置方式为每隔 2.4 m 布置时，校核上述锚索直径得出：4b4 2.6 106=17.5 mmD 考虑现场的实际应用情况，确定锚索规格为：直径为 17.8 mm，长度为 6.0 m，结合锚杆锚索支护参数，确定顶板锚索排间距为 1800 mm900 mm。3.3 数值模拟验证所建模型的尺寸长 宽 高为 100 m50 m45 m，在模型中，锚杆、锚索采用 cable 单元进行模拟，混凝土衬砌采用实体单元 Elastic 模型。模型前后左右边界均设置为水平约束力；模型的底面设置为固定约束边界；模型顶部设置为自由边界，施加等效荷载。计算所得巷道应力、位移分布云图如图 1、图 2。由图 1 可看出，断层上盘、下盘围岩两帮垂向应力大致呈对称分布，其分布处于稳定的状态，围岩稳定性较好。由图 2 可看出，断层上盘围岩192023 年第 5 期张国英：10-208 工作面胶带顺槽过断层影响带的支护研究张国英：10-208 工作面胶带顺槽过断层影响带的支护研究最大下沉量为 77 mm，巷道底板最大底鼓量为 116 mm；断层下盘围岩最大下沉量为 133 mm，巷道底板最大底鼓量为 134 mm。巷道围岩变形满足安全生产的需要。（a）断层上盘 （b）断层下盘图 1 巷道围岩竖向应力分布云图（a）断层上盘 （b）断层下盘图 2 巷道围岩竖向位移分布云图3.4 支护方案巷道支护方案采用“锚杆索+金属网+单体液压支柱、型钢梁”的联合支护方案。1）顶板支护巷道顶板采用直径 20 mm、长度 2000 mm 的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，与顶板垂直，锚杆间排距 900 mm900 mm，配合使用 3.8 m 钢带进行加强支护。巷道顶板锚索采用直径 17.8 mm、长度 6300 mm 高强度矿用钢绞线锚索，垂直巷道顶板打设，间排距 900 mm1800 mm，每排共打设 2 根。2）两帮支护采用直径 20 mm、长度 2000 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，与帮部垂直，间排距 900 mm900 mm，巷道左、右帮处锚杆均打设 4 根，左右两帮锚杆对称布设。巷道两帮锚索采用直径 17.8 mm、长度 6300 mm 高强度矿用钢绞线锚索，与帮部垂直，间排距1800 mm1800 mm，每排共打设 2 根，左右两帮锚索对称布设。3）金属网在巷道的顶板、两帮均铺设六边形金属网，规格分别为长 宽=5500 mm1100 mm、长 宽=2900 mm1100 mm，钢筋网的搭接长度为 50 mm，使用 16 号双股联网丝进行联接，联网丝扭结大于 3 扣，联网距小于 200 mm。巷道优化支护技术方案如图 3。同时，在巷道内采用单体液压支柱+型钢梁（3.9 m）联合进行支护。单体液压支柱的间排距为1700 mm1000 mm。图 3 巷道支护设计图（mm）4 工业性试验在巷道掘进施工过程中采用“十字布点法”进行巷道围岩变形监测，采用两点式顶板位移测定仪以及多点位移计来进行巷道顶板离层量的测量，顶板离层仪基点安装深度为 4 m、8 m。顶板离层观测如图 4，巷道围岩变形曲线及离层量如图 5。由图 5 看出，在 10-2081 胶带顺槽掘进完成的前5 d，巷道顶底板及两帮的围岩变形速度不断增大，之后逐渐趋于稳定。巷道顶板最大下沉量约为 31.4 mm，巷道两帮围岩变形最大约为 24.2 mm。在顶板4 m 深范围内，顶板离层量累计 3.8 mm，离层平均速率为 0.38 mm/d；在顶板 48 m 深范围内，顶板离层量累计 6.1 mm，离层平均速率为 0.61 mm/d，围岩控制较好。202023 年第 5 期16-44.2 何晓升.压弯状态下钢管混凝土圆弧拱的工作机理与应用研究 D.北京：中国矿业大学(北京)，2016.3 孙兵军，华心祝，张旬.采空区下开切眼围岩应力分布规律及其控制技术 J.矿业研究与开发，2020，40（10）：31-35.（上接第 16