巷道过断层及围岩破碎带支护设计研究

赵宗剑(中煤华利荣欣焦化有限公司， 山西 吕梁 033000)

1 前言

高家庄煤矿位于离柳矿区南部，基本构造形态为一走向NW，倾向SW的单斜构造，地层倾角为2°～6°。在此基础上煤矿中部发育次级褶皱，向两侧逐渐变缓。勘查过程中未发现断裂构造，在井下开采2号煤层，揭露13条正断层，1条逆断层。断层走向以NE或NW向为主，断层倾角15°～73°。断层落差0.4～10.0m，其中落差<5m的11条，落差>5m的3条。各断层特征见表1。其中，落差为5m以上的3条断层对盘区划分和工作面连续推进有影响，落差5m以下的小断层对煤矿盘区划分和工作面连续推进基本无影响。煤矿内未见岩浆岩侵入，煤矿地质构造类型属简单类型。

表1 断层统计表

矿井2号煤层已回采一盘区的2101、2103、2105工作面和二盘区的2201、2203工作面，正在回采一盘区的2107工作面，仅剩余2205工作面。矿井2、3、4号煤层为近距离煤层群，需下行开采。目前矿井接续紧张，因此为保证矿井接续，需开采3号煤层。

3号煤层首采工作面为3201回采工作面，工作面长179m，3201工作面辅助运输巷总工程量1 010m，其中155m为矩形断面，采用锚网索支护；855m为梯形断面，采用锚网+工字钢棚支护；3201工作面运输巷总工程量966m，其中111m为矩形断面，采用锚网索支护；855m为梯形断面，采用锚网+工字钢棚支护；3201工作面开切眼总工程量179m，矩形断面，采用锚网索+单体支柱支护。

3101运输巷综掘工作面，设计长度926m,梯形断面，净上宽3.6m，净下宽4.6m，净高2.4m，锚网+工字钢棚支护，净断面9.86m2；3101辅运巷综掘工作面，设计长度964m，梯形断面，净上宽3.6m，净下宽4.6m，净高2.4m，锚网+工字钢棚支护，净断面9.86m2。

矿井一期3号煤层距离顶部2号煤层采空区较近，2号煤层采空区稳定后方可进行掘进，3号煤工作面巷道采用架棚支护，采掘过程中遇断层等地质构造，应加强支护，防止冒顶事故发生，保证巷道过断层支护安全。

2 巷道过断层及围岩破碎带支护

一般情况下，顶板破碎发育地区，周边的岩体松软和破碎，岩体强度降低，单一的锚杆支护难以满足安全生产的要求。参考其他矿区的施工经验并结合本矿井顶板实际条件。巷道过破碎地段采用锚杆索+工字钢架棚联合支护。现分析工字钢的受力因素。

2.1 用工字钢梯形支架梁受力分析

1)梁的最大弯矩计算

图1所示为简支梁力学模型，根据受均布载荷的梁的弯曲内力计算公式，梁在x点处的弯矩为

(1)

图1 简支梁的力学模型

在梁的中点截面处弯矩最大，其值为

(2)

式中：Mmax——工字钢顶梁受到的最大弯矩；

q——均布载荷；

l——工字钢梁的净跨长度(不含棚爪部分)。

2)工字钢顶梁受到的最大拉应力计算

图2所示为工字钢截面应力分布图，在工字钢梁的中点处的截面上，沿中性轴上侧工字钢受压应力，下侧受拉应力，当所受拉应力大于工字钢的抗拉强度时，工字钢下侧破坏。

图2 工字钢截面上的应力分布

最大正应力计算公式为

(3)

式中：Mmax——顶梁受到的最大弯矩；

WZ——顶梁横截面的抗弯截面模量，是衡量截面抗弯强度的几何量，可查表获得；

σmax——最大正应力。

3)工字钢顶梁受到的压力计算

将式(2)代入式(3)得顶梁受到的均布载荷为

(4)

σmax代入工字钢顶梁的屈服极限，求出的是梁的使用载荷；代入抗拉强度，求出的是梁的破坏载荷。根据式(4)可求出一根任意长度的工字钢顶梁所承受的顶板压力。

4)工字钢顶梁受压力后最大弯曲下沉值计算

根据受均布载荷的简支梁挠曲线方程为

(5)

(6)

|y|max值为工字钢顶梁在中间位置的最大下沉值。

式中：E——工字钢的弹性模量；

I——工字钢的惯性矩；

l——梁的跨长，即工字钢的净长度。

2.2 理论计算结果分析

1)工字钢顶梁受到的压力计算

以工作面运输顺槽为例，高家庄煤矿巷道工字钢棚顶梁跨长为4.8m，材质为Q275的矿用12#工字钢，其屈服极限为σs=355MPa，抗拉强度为σb=510MPa，查表得12#工字钢抗弯截面模量[1]Wz=144.5cm3=144.5×10-6m3。

代入式(4)求得工字钢的使用载荷为

即4.8m的12#工字钢顶梁达到屈服极限时，其所受均布载荷约为17.81kN/m，整架棚的使用载荷为QS=17.81×4.8=85.49kN。

同理，将抗拉强度为σb=510MPa代入式(4)求得破坏时的均布载荷为25.59kN/m，整架棚的破坏载荷为122.83kN。

2)工字钢顶梁受压力后最大弯曲下沉值计算

3号煤层运输、回风顺槽工字钢棚顶梁跨长为4.8m、材质为Q275的矿用12#工字钢，查表知碳钢的弹性模量为200GPa，12#工字钢的惯性矩为623.7×10-8m4。

将上述算得的17.81kN/m代入式(6)，求得工字钢顶梁在使用载荷条件下中间位置下沉量为

即4.8m的矿用12#工字钢棚顶梁下沉达到58mm时，顶梁开始出现屈服变形。

将上述算得的25.59kN/m代入式(6)，求得工字钢顶梁达到破坏载荷条件时中间位置下沉量为84mm。

3)顶板压力的确定

巷道顶板压力采取传统的自然平衡拱理论进行计算，计算公式为

(7)

式中：Qd——每米巷道顶板岩石作用在支架上的压力；

γ——顶板岩石重力密度；

f——顶板岩石的坚固性系数；

a——巷道半跨度。

根据3号煤层地质情况，运输顺槽巷道掘进宽度最大为4.6m，岩石坚固性系数f取2.0，岩石重力密度γ取26.0kN/m3，顶板压力为

上述计算结果说明，棚距1m时，每架棚承受理论压力为70.5kN。采用跨长4.8m的12#工字钢支护，计算得该跨长的最小工字钢使用载荷为85.49kN/m，棚距1m，安全系数为n=85.49/70.5=1.21，满足支护强度要求。

由上述计算可知，当工字钢棚棚距小于或等于1m时，安全系数能够满足支护要求。为施工方便，且考虑回采工作面巷道在工作面开采过程中，受采动影响较大，在过地质破碎地带时采用架棚支护时，棚距取为800mm。

3 巷道过断层段巷道支护方式

由于断层带岩性比较破碎，围岩应力相对较大，围岩稳定性差，过断层后的巷道在施工完成后经常会遇到二次破坏，本设计主要对断距一般为数米，支护难度较大时，巷道的支护方式提出相对合理的建议。图3所示为巷道掘进过正断层时顶板破碎带；图4所示为过正断层时巷道的支护方式(椭圆区域为需要提前进行注浆加固的区域)；图5所示为巷道掘进过逆断层时顶板破碎带。与过正断层相比，巷道掘进过逆断层时，巷道上方没有断层面区域顶板极易冒落带，围岩的破碎程度较小，过逆断层时，巷道围岩控制相对较容易，因此，为安全起见，巷道掘进过逆断层时的支护方式采用与过正断层相同的支护方式，具体支护参数以过正断层时期支护参数为准。

图3 巷道掘进过正断层时顶板破碎带

图4 巷道掘进过正断层时支护方式

图4 巷道掘进过逆断层时顶板破碎带

巷道在掘进过程中，支护方式采用锚杆+锚索+工字钢+喷注浆支护，该支护方式是采用锚索梁联合支护与喷注浆相结合的双重作用[2]。在采掘过程中若遇小断层地质构造时，建议采用以下施工、支护方案。

3.1 中空自进式注浆锚杆

中空自进式注浆锚杆配合工字钢支架使用时，中空自进式注浆锚杆应用于拱部与两边墙拱下1m，其纵向搭接长度不小于1m，布置两排，间距300mm，中空自进式注浆锚杆安装后进行注浆加固。

①中空自进式注浆锚杆规格φ25mm，环向间距200mm。

②外插角5°～15°，可根据实际情况调整。

③注浆材料：M20水泥浆或水泥砂浆(需要时改为水泥- 水玻璃双液注浆)。

④设置范围：拱部及两边墙拱部下1m，内外两圈。

⑤工字钢支架拱部用槽钢16mm，边墙用16mm加工。每榀支架分四块，每块端部焊钢板δ10mm,用螺栓联接。

⑥工字钢支架按1m 1架布置，支架之间用螺纹钢φ18mm连接，环向间距1.5m。

3.2 超前小导管

超前小导管配合工字钢支架使用，小导管应用于拱部与两边墙拱下1m，其纵向搭接长度不小于1m，小导管安装后进行注浆加固。

①超前小导管规格：φ32mm无缝冷轧钢管，厚3.5mm。

②小导管3m/根，环向间距400mm。

③外插角5°～15°，可根据实际情况调整。

④注浆材料：M20水泥浆或水泥砂浆(需要时改为水泥- 水玻璃双液注浆)。

⑤设置范围：拱部及两边墙拱部下1m。

⑥工字钢支架拱部用槽钢16mm，边墙用16mm加工。每榀支架分四块，每块端部焊钢板δ10mm,用螺栓联接。

⑦工字钢支架按1m 1架布置，支架之间用螺纹钢φ18mm连接，环向间距1.5m。

4 结论

结合现场实际地质条件及开采情况，对3号煤层掘进中过断层的支护进行了研究。当工字钢棚棚距小于或等于1m时，安全系数能够满足支护要求。在过地质破碎地带时采用架棚支护时，棚距取为800mm。巷道在掘进过程中，预计临近断层时，应及时进行钻探，确定至断层的准确距离。在距离断层10m左右时，应加强巷道顶板的支护，支护方式采用锚杆+锚索+工字钢+喷注浆支护，保障3号煤层掘进过断层安全回采。