田 超

（霍州煤电集团汾源煤业有限公司，山西 静乐 034000）

1 工程概况

霍州煤电集团汾源煤业5-1021 巷沿5#煤层顶板掘进，埋藏深度378～410 m，设计长度632 m。5#煤层倾角23°～27°，平均25°，平均煤厚15.45 m。

5-1021 巷倾角为20°，断面为矩形，掘宽4.4 m，掘高3.1 m，掘进断面13.64 m2。工作面掘进范围内构造情况简单，左帮为煤，右帮基本为泥岩，顶板多为泥岩和泥质灰岩，底板多为泥岩和粉砂岩，顶板完整性较好。预计5-1021 巷掘进过程中将揭露两条断层，H1=2.5 m（断上）、H2=15 m（断下），由于断层对工作面的掘进和支护会产生一定影响，因此需制定安全有效的支护措施。

2 支护方案设计

2.1 断层对掘进巷道的影响

断层在形成时，会导致应力重分布[1]，地应力的分布将会有所变化，大主应力σ1=γH，为垂直应力，中主应力σ2和小主应力σ3为水平，此时σ2和σ3均会有一定程度的增大。主应力方向如图1。

图1 巷道走向与主应力方向示意图

由图1 可知，当巷道掘进至断层处时，水平应力σ2和σ3均会增大，此时巷道两帮将会产生应力集中效应[2]。当巷道掘进方向与断层面垂直时，巷道两帮的应力和变形均为对称式发展，此时不易产生应力集中效应。

图2 所示为巷道掘进方向与断层位置示意图。由图2 可知，当巷道由断层下盘方向向断层上盘方向掘进时（图2 中①所示方向），巷道顶板先通过断层，此时巷道易发生冒顶情况，而后底板再经过断层，底板可能会有一定程度的塌陷。因此需先后对巷道顶板、底板依次进行支护加固。反之，当巷道由断层上盘方向向断层下盘方向掘进时（图2 中②所示方向），需先后对巷道底板、顶板依次进行支护加固。

图2 巷道掘进方向与断层位置示意图

2.2 顺槽巷道过断层支护设计

（1）支护方案

由于矩形巷道在巷帮与顶板交接处易产生应力集中，且在经过断层时更易发生冒顶现象，不利于巷道的掘进和支护。因此，计划将原先设计的矩形断面更改为半圆拱形断面，初次支护为“注浆锚索+金属网+锚杆+初喷混凝土”，二次支护设计为“U型钢支架+复喷混凝土”。

将顺槽巷道的断面尺寸更改为：原矩形巷道的下半部保持不变，上半部分改为半圆形，即巷道掘宽不变，掘高改为2.2+1.5=3.7 m。巷道断面图如图3。

图3 巷道断面及支护方案示意图

此支护方案有以下优点：初次支护中，通过注浆锚索向四周围岩体注入水泥浆液，既使得锚索的支护作用大大提高，而且在围岩体中扩散的水泥浆液也会与围岩体粘结为一体[3]，使得围岩体的承载能力和稳定性都有所提高，增强巷道支护效果。初支中的“金属网+锚杆”支护，结合复支中的U 型钢支架支护，使得巷道的变形能够在很大程度上得到控制，进一步提高了围岩体的承载力和稳定性。

（2）支护参数

支护参数包括注浆锚索和锚杆的排间距、材料以及混凝土喷层的配比、厚度等参数。

① 注浆锚索

根据现场情况和施工经验确定注浆锚索的参数见表1。

表1 注浆锚索参数表

② 锚杆

由悬吊理论[4]可知，锚杆的计算长度l 的表达式为：

式中：l1为外露长度，m；l2为有效长度，m；l3为锚固长度，m。

根据经验可取l1=0.15 m，l3=0.65 m。

对于顶板锚杆，l2等于冒落拱的高度h，其计算公式为：

式中：k 为修正系数，取k=1.5；n 为计算系数，取n=0.22；α0为半圆拱所对应的角度，取α0=180°；l0为巷道掘宽，l0=4.4 m。

将以上参数代入式（2）计算得h=1.4 m，则l2=h=1.4 m。

则 锚 杆 的 计 算 长 度 为：l=l1+l2+l3=0.15+1.4+0.65=2.2 m。

根据锚杆锚固力的计算公式，有：

式中：Q 为锚固力，kN，可根据材料和经验取值；σt为锚杆抗拉强度，MPa；d 为锚杆直径，m。

根据经验取Q=100 kN，σt=350 MPa，根据式（3）可计算得锚杆的直径d=0.019 m，取d=20 mm。

锚杆间距的计算公式为：

式中：s 为锚杆间距，m；c 为岩体粘聚力， kN/m2；γ 为围岩体容重，kN/m3。

取c=11.2 kN/m2，γ=18.9 kN/m3，则 根 据 公 式（4）得锚杆的间距s=0.57 m，取锚杆间距为0.6 m。取锚杆排距为0.6 m，则锚杆的布置为0.6 m×0.6 m方形布置。在断层附近，锚杆可适当加密。

③ 混凝土喷层

每立方米砼中各材料用量为：水泥480 kg，水250 L，砂0.7 m3，石子0.8 m3，速凝剂14 kg。取喷层厚度0.2 m，其中初次支护和二次支护各喷0.1 m。

④ 金属网

金属网所用钢筋直径为8 mm，钢筋的排间距均为0.1 m，即金属网格的规格为0.1 m×0.1 m。

⑤ U 型钢支架

U 型钢支架选用“直腿+半圆拱”型支架，断面内为4 个节点、5 段支架。

3 施工技术及监测方案

3.1 施工技术

由以上分析可知，当巷道掘进方向与断层走向垂直时，巷道两帮水平应力较小，可减少应力集中现象的发生，对巷道支护有利，因此巷道掘进应尽量选择与断层走向垂直的方向。在断层处易发生冒顶即底板塌陷情况，因此应加强支护。具体施工步骤如图4。

图4 巷道过断层施工步骤

3.2 监测方案

监测方案主要分为两个部分：顶板离层监测和围岩变形监测。

（1）顶板离层监测

在巷道顶板中心位置处安装离层仪，对顶板的离层情况进行监测。根据监测结果，距离断层最近的测站读数最大，浅基点读数为8 mm，深基点读数为12 mm。由监测结果可知，顶板离层得到非常有效的控制，说明巷道支护效果良好。

（2）围岩变形监测

分别在断层位置处和在距离断层位置7 m 处各布置1 个测站，安装数显收敛计用以监测围岩表面的变形量，每个断面布置4个测力计。根据监测结果，断层位置处的测站读数最大，即最靠近断层的围岩变形量最大。测力计读数如图5。

图5 断层位置围岩表面变形量

由监测结果可知，断层位置处巷道左右两帮最大移进量分别为7.79 mm、12.05 mm，最大底鼓量和最大顶板下沉量分别为1.48 mm、20.87 mm，围岩表面虽出现较大变形情况，但满足支护要求。

4 结论

针对断层对巷道掘进和支护的影响，有针对性地提出5-1021 巷过断层支护方案，并对巷道顶板离层和围岩表面变形等情况进行监测。结果表明：在断层处巷道顶板离层量最大、围岩表面变形量最大，说明断层对巷道围岩的稳定性具有很大程度的影响。但通过对巷道围岩进行支护后，这些参数都在可接受范围内，说明支护设计使得巷道围岩的稳定性得到了有效保障。