掘進工作面過陷落柱巷道圍巖應力分析及支護技術研究

＊高穩龍

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業有限責任公司 山西 044000）

煤礦企業的井下掘進作業會隨著地質構造的改變以及地質的不斷運動而受到阻礙，在挖掘巷道時會在開采過程中遇到向斜、褶皺等復雜的地質類型，而在這種結構情況下繼續使用傳統的錨網支護形式就不能達到以往的穩固程度以及現實需求[1]。因此，為應對上述情況，霍州煤電集團某礦在開采3401運輸順槽時，嘗試使用了FLAC3D錨桿支護動態系統設計法來解決掘進過程中出現的在落柱區間內傳統錨網支護手段失效、巷道變形量大的現象，該設計法是在對巷道進行地質評估以及預估該作業段四周圍巖的數值后，在對各綜合數據進行模擬、分析后最終確定了“36U型鋼+錨索網”相結合的方案[1]。在實際應用后，經過支護效果和礦壓檢測后，得出“36U型鋼+錨索網”支護設計對處于特殊地質構造中巷道圍巖變形量有很好的控制作用，從而保障下一階段的巷道掘進工作的順利開展。

1.工程概況

霍州煤電集團某礦3401工作面主采煤層為3號煤層。該煤層區由于受到地質運動的影響其頂部和底部的板巖層都有一定幅度的滑動，所以3號煤層的局部會出現煤層賦存條件發生很大改變，并且該煤層區在遇到地質構造時，會產生驟變和突變的情況。該煤層的煤礦厚度平均為5.8m，產狀大約為300°～320°，上下浮動在5°～15°之間。從掘進前的地質勘探來看，該煤層的回采區內有落柱而且陷落柱的面較大。預估3401運輸巷道在掘進至235m，回風順槽巷道的掘進工作在挖掘到283m時將會到達陷落柱地質構造區。

2.巷道圍巖應力分布分析

（1）巷道圍巖應力分布數值模擬研究。在對巷道內巖石應力分布、巖石硬度、覆巖層的巖性、地質構造情況以及巷道寬度的3倍范圍內的圍巖賦存狀態等進行了數據收集和分析，模擬了巷道地質構造以及采動影響的影響程度與影響范圍[2]。在該模擬中，將陷落柱構造可影響的范圍假設為巷道圍巖的8m。借助巖體應力分布理論構建了瞬態數值計算模型，而且還將巖層應力在巷道挖掘工作后的變化及分布規律考慮在內，所以圖中的時間單位采取了動態變化。模擬了巷道在0d、30d、60d、90d、120d時其圍巖應力的數值變化，如圖1所示。

圖1 巷道圍巖應力分布規律

在進行數值模擬時將上部的陷落柱構造體假設為方形，而巷道則在方形下部，但是該巷道所在的位置較為特殊，它不僅受到陷落柱構造的影響同時還受到背斜構造的影響[3]。結合圖1作進一步的分析，可以看出在巷道挖掘進行到0～30d時，在該時段內上覆巖層的應力主要分布在陷落柱構造地質的附近以及巷道的四周巖壁上，此時應力還沒有發生耦合以及大范圍分布變動情況；在30～60d時，應力發生了變化，即陷落柱構造周圍的應力和巷道底部發生耦合現象，而且在陷落柱構造周圍的巖石還發生了變形，此時應力的分布呈現向下方延伸的趨勢，并且與時間成正相關變動趨勢；在90d時，頂部應力開始向下部擴散并集中，出現融合狀態；在120d時，應力則開始全面擴散，并慢慢向上、下部集中，呈現接連和集中狀態，同時還出現應力集中釋放的情況，根據上述情況，推測此刻巷道整體坍塌。如采用傳統支護手段，由于支護強度不佳，該種支護方式會使得巷道內出現大規模圍巖變形，且支護無效等問題，更有甚者會發生巷道頂板坍塌。

（2）鉆探驗證分析。為檢驗模擬實驗的正確性，將在臨近的3403工作面待密閉巷道進行鉆探驗證，表1總結了鉆孔數據。

表1 鉆孔參數

在鉆探驗證期間，第1組過程順利，鉆進和返碴數據都正常，且巖層狀態也較為穩定；第2組情況同上；第3組在進行鉆孔時行至15m時出現狀況，速度減緩、鉆桿搖晃頻率增加、返碴量小等；第4組則在鉆至23m時出現返碴量劇增的情況，因此判定此處巖層發生破裂和垮落，鉆速加快；第5組則在28m處遇到上述4組所遇情況。上述實操證明，陷落柱構造對巷道的影響范圍在圍巖的12m內，與模擬所得結果一致。

3.支護設計及支護參數的選擇

在陷落柱構造地質區的巷道出現圍巖變形量大、支護失效的直接原因是，該地質帶來的縱向應力，因僅使用傳統支護手段無法適應該地質支護需求，所以在進一步討論后，決定在該區采取“36U型鋼+錨索網”的支護方式。

在3401工作面運輸、回風順槽過陷落柱構造期間，采用先錨網支護、后36U型鋼架棚支護的支護方式。巷道主體部分采用半圓拱形斷面進行支護，型號為高3.5m、寬5.6m、凈斷面為17.5m2。支撐所用錨桿則選取左旋無縱筋高強錨桿，規格為Φ22mm×2400mm，且各錨桿的排間距為800mm×800mm；蝶形托盤規格為150mm×150mm×10mm，每根錨桿采用1節K2350型快速樹脂錨固劑和1節22350型中速樹脂錨固劑錨固；鋼筋網規格為Φ6.5mm×1000mm×2000mm，網片搭接長度不小于100mm；采用14＃雙股鐵絲雙排扣聯網，聯網間距不大于200mm，采用W型鋼帶壓實鋼網。巷道頂部采用Φ21.6mm×8200mm錨索，幫部采用Φ21.6mm×4200mm錨索，間排距1100mm×1100mm；頂板錨索預緊力不低于45MPa，幫部錨索預緊力不低于35MPa。安裝完錨網后使用棚距為600mm的棚架進行支護，型號為36U；一梁兩腿，腿安裝在梁外，兩腿間距500mm，且用3道卡纜進行固定，鐵椽桿間距300～350mm（頂部間距300mm，幫部間距350mm），采用雙層網（里層為硬質塑料網、外層為鋼筋網）護表；各個棚之間用3根長440mm、厚10mm的連板進行連接固定。具體圖紙和參數如圖2。

圖2 巷道支護參數

4.支護效果分析

3401運輸順槽在過陷落柱構造的掘進過程中，采用了上述支護方案，用來試驗。經過該處地質構造后，在實驗段內隔20m設置一個檢測點并裝置礦壓檢測設備，包括WBY-10頂板離層儀、MCZ-300錨桿（索）測力計，并分別在巷道頂部的中央以及巷道兩端各布置1個監測點，用來測量頂底板和兩端的變形量及錨索受力情況。圖3為3號礦壓觀測點的監測數據。

圖3 3401運輸順槽3號礦壓觀測站監測結果

由圖3數據變化可知，在時長為120d的監測期內，3號測站在剛開始的30d內，巷道的頂部和底部在此時段內是相對穩定的，沒有發生變形；而當到達60d時巷道的頂部和底部開始發生劇烈變形，安裝在頂部的離層儀其所在最深度和最淺度的位置都進行了豎向位移；在90d時，巷道頂部的變形開始放緩，此時頂部離層儀的最深部和最淺部的位置保持不變；在120d時，此時頂底部變形量趨于穩定，圍巖也相對穩定，因此，此時圍巖結構已相對穩固。

5.結論

霍州煤電集團某礦3401運輸順槽過陷落柱地質構造前，進行了詳細的模擬實驗并采用了鉆探驗證，綜合分析了在陷落柱和斷層等特殊地質構造的情況下，對掘進巷道的影響以及在該情況下巷道圍巖的應力分布；最后根據模擬結果和數據，再不斷優化巷道支護設計，最終確定了采取“36U型鋼+錨索網”相結合的方案。在該方案應用后為期4個月監測證明，此支護方案所在巷道沒有發生劇烈變形的情況，且圍巖結構也在不斷穩定。有力證實了該支護方案能有效解決在特殊地質構造中巷道圍巖變形問題，有力推動了巷道掘進工作的展開。