回采巷道過陷落柱破碎帶聯合支護技術研究

陳 帥

（晉能控股煤業集團晟泰能源投資有限公司機電安裝分公司，山西 臨汾 043500）

陷落柱作為煤礦井下生產中的一種特殊地質構造形式，一直是影響礦井生產，特別是巷道掘進作業的重要因素之一[1-2]。在井下巷道的掘進作業中，一旦遭遇陷落柱應力影響區，若無法采取有效支護措施，必將影響巷道的正常掘進和安全使用[3-4]。因此，以長平礦4321 綜放工作面43211 巷過陷落柱區域為背景，采用“注漿加固+錨網帶支護+架棚”的聯合支護技術進行現場試驗并取得成功，為礦井的安全生產提供保障。

1 工程概況

晉能控股煤業集團長平礦4321 工作面整體東高西低，工作面標高+475～+502 m，煤層總厚度為5.73 m，煤層傾角0°～2°，平均為1°，可采儲量99.8 萬t。該工作面回采巷道掘進中局部頂板節劈理發育，煤體疏松破碎，其中43211 巷掘進到364 m 左右揭露DX214 陷落柱，該陷落柱長軸約72 m，短軸約65 m，在巷道內的影響長度約65 m，過陷落柱區域的支護效果會對巷道的掘進和安全使用產生極大影響。DX214 陷落柱分布如圖1。

圖1 DX214 陷落柱分布圖

2 數值模擬分析

為研究43211 巷過陷落柱的合理支護方案，采用FLAC3D數值模擬軟件對支護方案進行模擬，結合長平礦4321 工作面地質概況，建立數值模型。其支護技術數值模擬研究方案主要包含以下兩個方面：

（1）超前預注漿加固后開挖。根據超前預注漿加固設計方案，將巷道輪廓外圍半徑4 m 范圍內作為注漿加固圈，對矩形巷道進行開挖模擬。

（2）注漿加固+錨網帶支護。在巷道圍巖預注漿加固的基礎上，采用錨網帶支護的設計方案，巷道頂板采用6 根D22×L2800 mm 的高強度錨桿，兩根L6300 mm 錨索，巷道兩幫分別采用3 根D22×L2800 mm 的高強度錨桿，托盤尺寸為280 mm×400 mm。

圖2 為數值模擬巷道圍巖垂直應力云圖。由圖2 可知，在由超前預注漿加固→“注漿加固+錨網帶支護”的過程中，應力釋放率逐漸減小，應力集中范圍減小，巷道兩幫的應力值增大。采用“注漿加固+錨網帶支護”的加固方案，在超前預注漿改善圍巖力學性能的基礎上，進一步控制了圍巖的應力集中現象，有利于巷道順利通過DX214 陷落柱。

圖2 巷道垂直應力云圖

3 過陷落柱支護方案

根據揭露的DX214 陷落柱現場圍巖極度破碎的實際情況，結合模擬分析，提出“注漿加固+錨網帶支護+架棚”的聯合支護方案進行巷道支護。

3.1 注漿加固方案

注漿材料：采用雙液注漿材料，注漿水灰比為0.8:1。注漿過程中漏漿嚴重時可適當降低漿液水灰比，最低控制在0.7:1，注漿封孔水灰比為0.6:1。

注漿壓力：3#煤層埋深大于500 m，根據注漿地層深度計算的最低設計注漿壓力為8 MPa。考慮注漿過程造成注漿壓力的損失，最終注漿的壓力選取10～15 MPa。

注漿孔設計：為了使漿液完全擴散到破碎孔隙中，雙液注漿材料漿液擴散半徑取3.0 m。其注漿孔布置如圖3。

圖3 注漿孔布置圖（mm）

3.2 錨網帶支護方案

（1）錨固支護設計

① 巷道頂板及兩幫采用高強度螺紋鋼預應力錨桿，錨桿長2.4 m，巷道頂板錨桿間距0.9 m，排距1 m，幫錨桿間距1.1 m，排距1 m，每個錨桿孔使用兩支錨固劑，一支為MSK2335 樹脂錨固劑，另一支為MSZ2360 樹脂錨固劑。

② 采用網孔50 mm×50 mm、面積1.4 m×3.2 m 的鋼塑復合網護表，錨網的所有結點焊接在一起，使其有較高的整體性。

③ 錨索作為錨固支護中的加強支護體，可進一步提高組合梁的抗拉、抗剪能力，從而提高淺部圍巖的自承載能力。

（2）施工工藝過程

① 掘巷：按照巷道施工斷面要求掘進。

② 頂板錨桿支護：錨桿孔深為2690～2710 mm。掘進迎頭最大控頂距不超過1 m。利用錨桿鉆機攪拌樹脂藥卷，中途不得間斷，預緊力矩＞120 N·m。

③ 頂板錨索支護：按照設計要求安裝完6 根頂錨桿之后，安裝6.3 m 錨索，錨索鉆孔深度要求5990～6010 mm。

④ 幫錨桿支護：按照設計方案從上往下依次施工幫錨桿鉆孔，安裝幫錨桿，其錨桿鉆孔深度要求2690～2710 mm。

3.3 架棚支護方案

43211 巷架棚材料和參數：

梁：12#工字鋼梁，規格為4300 mm；

腿：U25 鋼，上腿長度為1800 mm、下腿長度為2000 mm；

拉桿：Φ16 mm×1080 mm 金屬拉桿；

卡纜：U 型鋼支架限位卡纜；

背板：1400×（100～200）×（30～50） mm。

棚距：1200 mm。

4 現場試驗及效果考察

4.1 巷道變形觀測

對43211 巷陷落柱區域聯合支護段進行30 d 的礦壓監測，分別對巷道頂板下沉量、兩幫移近量進行測量，結果如圖4。30 d 內頂底板總收斂量為171 mm，巷道開挖支護21 d 后，頂底板收斂量趨于穩定，30 d 內巷道兩幫累計收斂量為109 mm，巷道變形量小，滿足正常使用要求。

圖4 巷道位移變化圖

4.2 支護體受力監測

在43211 巷布置一個錨桿、錨索受力監測測站，測站布置3 個錨桿測力計，2 個錨索測力計。

受力監測曲線如圖5 所示，錨桿初期受力在30～40 kN 之間，穩定后的受力在140～170 kN 之間。錨索初期受力位于140～200 kN 之間，隨著時間的延長，錨索受力增加至260～350 kN，錨桿和錨索受力處于合理的范圍之內。

圖5 支護體受力監測曲線

5 結論

結合現場情況和模擬結果，提出43211 巷過DX214 陷落柱的“注漿加固+錨網帶支護+架棚”聯合支護方案。采用該方案后，巷道頂底板總收斂量為171 mm，兩幫累計收斂量為109 mm，巷道變形量小，錨桿受力在140～170 kN 之間，錨索受力在260～350 kN 之間，錨桿和錨索受力處于合理的范圍之內，方案取得良好效果。