3107跳采面切眼掘進及圍巖支護技術研究

牛明濤

（山西潞安集團蒲縣開拓煤業有限公司，山西 臨汾 041000）

巷道掘進過程中，出現斷層、陷落柱等構造的情況是常有的[1]。有些斷層斷距大，影響范圍廣，導致巷道掘進只能避開施工[2]。開拓煤業3107回風巷掘進過程中出現F309斷層，為避開斷層影響，設計施工3107跳采面，運用數值模擬軟件COMSOL對3017跳采面切眼位置圍巖應變情況進行了數值模擬研究。根據數值模擬結果對巷道掘進、圍巖支護的措施方案進行了相關研究。

1 概況

3107工作面面長1200 m，面寬150 m，主采3#煤層。距離3017工作面切眼160 m處存在F309斷層，斷距3 m，傾角60°。為避開該斷層，設計3017跳采面，跳采面長度50 m，寬度30 m。巷道布置如圖1。

圖1 3017工作面示意圖

3#煤層平均厚度2 m，底板為泥巖，頂板為砂巖，采用全斷面綜合機械化掘進方式。

2 巷道應力分布模擬研究

巷道設計斷面如圖2。巷道高度為2 m，頂板寬度為3 m，底板寬度為3.7 m。

圖2 巷道斷面圖

運用數值模擬軟件COMSOL對巷道周圍應變進行數值模擬。該軟件為有限元分析軟件，應變可以有效反映圍巖變形特征[3-5]。模擬參數如下：

表1 模擬參數表

模擬巷道圍巖應變如圖3，其中幫部應力分布如圖4。根據圖3，巷道左右幫應變不同，因此，分別進行了左右幫應變研究。底板應力分布如圖5。

圖3 巷道周圍應力分布云圖

圖4 幫部應力分布曲線圖

由圖3、4、5可知，巷道斷面應力比較集中的地方為巷道幫部和底部，幫部中部受到的應力最大。幫部距離頂板約1.6 m位置處應力最大，向下逐漸減小；整體呈現先增大后降低的趨勢。距離斷層較近的右幫應變比左幫大一個數量級。底板應力最大位置點為巷道中部，由中部向兩邊呈逐漸遞減趨勢。由于是梯形結構，幫部受到法向應力和豎向應力的雙重作用，因此必須加大幫部結構支護。由于右幫靠近斷層自由面，右幫比左幫的支護力度更大。底部要做好防底鼓措施。根據應力曲線分布特點，在幫部距離頂板1.6 m位置處做好支護措施，支護錨桿垂直于幫部斜面。

3 支護方式

巷道支護常用方法有：單體柱、π型鋼梁聯合支護、錨網等[6-8]。本文根據數值模擬情況分別編制了支護措施。

3.1 臨時支護方式

由于跳采面切眼使用周期短，因此僅僅需要進行臨時支護便可以滿足礦井安全生產需求。臨時支護主要包括超前支護和后期錨網支護。

巷道臨時支護分別為管棚超前支護和錨網支護。進行管棚超前支護措施：在巷道斷面周圍施工Φ100 mm的鋼管，管長4 m；插入鋼管后注漿固定。錨網支護采用Φ14 mm的玻璃鋼錨桿，長度4 m，托盤40 mm×40 mm，錨桿密度為50 cm×50 cm，錨固之后進行噴漿，防止巖石破裂散落。

3.2 3107跳采面切眼（F309斷層）1#聯巷支護

（1）頂板支護

頂板施工錨桿，間距0.9 m，每排4根，垂直于頂板方向施工，這樣可以有效控制頂板豎直方向形變。使用無縱筋螺紋鋼，鋼帶規格：Φ14-4-80-3000 mm，托盤規格：120 mm×120 mm×8 mm。

單體柱布置：沿巷道傾向打設單體柱，一梁兩柱架設，排距800 mm。單體柱打設完畢后相鄰π型梁之間采用撐棍連接，中間上一根撐棍靠近兩肩窩處分別各上一根撐棍。單體柱規格：DW28-250/100，π型梁規格：DFB-2800 mm

（2）右幫支護

由于右幫靠近斷層自由面，需要加大支護力度。幫部錨桿每排設置4根，間距800 mm，錨桿垂直于巷幫施工，使用玻璃鋼錨桿。鋼帶規格：Φ14-3-80-2300 mm。護幫采用阻燃尼龍網。

（3）左幫支護

模擬顯示左幫應變較小，因此可適度調整支護力度。幫部錨桿每排設置3根，間距1000 mm。錨桿垂直于巷幫施工，使用玻璃鋼錨桿。

（4）底板支護

根據數值模擬研究結果分析，底板會出現較大變形，即底鼓現象。為防止底鼓，底板需要進行硬化，主要措施為施工錨桿，鋪設網片。錨桿Φ14 mm，長度6 m，鋼制，密度50 cm×50 cm。鋪設完成網片后進行注漿硬化。

（5）架棚支護

①整個巷道棚梁以及棚腿采用工字鋼，其中棚梁3.0 m，棚腿2.6 m。

②巷道支護必須保證完整性，棚梁和棚腿必須無縫連接，不可出現較大相對位置的偏移。

③相鄰兩個棚之間使用鐵拉鉤連接，設置拉鉤6個。

④相鄰兩個支護棚間距90 cm，不可出現頂板懸空現象。

⑤在架棚過程中，棚與棚之間除采用鐵拉鉤連接外，還必須采用撐棍連接。兩棚之間采用三根撐棍，棚梁中間上一根撐棍，每幫棚腿靠近梁窩處分別各上一根撐棍，撐棍要打設在一條直線上。

⑥巷道支護完成后，安裝頂板離層儀觀測、單體柱初撐力檢測、信號柱觀測等裝備對巷道圍巖變形情況進行實時觀測。

4 結論

運用數值模擬軟件對3017跳面巷道圍巖應力分布情況進行了數值模擬研究，并制定了支護措施，得出以下結論：

（1）巷道幫部應變比頂板大，因此，幫部支護必須具備足夠的抗擠壓能力。

（2）由于斷層影響，右幫比左幫的應變更大，因此支護時必須做到右幫支護力度更大。

（3）巷道支護完成后，必須安裝相應的圍巖觀測設備。