巷道掘進(jìn)過陷落柱支護(hù)的優(yōu)化

馬冠華

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

引言

陷落柱是華北地區(qū)煤炭開采常遇地質(zhì)構(gòu)造，山西某礦開采的井田內(nèi)陷落柱較為發(fā)育，在陷落柱附近的煤、巖體風(fēng)化嚴(yán)重，從而造成陷落柱周邊巖層弱化。陷落柱形狀一般不規(guī)則，內(nèi)部為黏土、破碎巖石等混合物，強(qiáng)度難以準(zhǔn)確預(yù)測，受到陷落柱影響附近煤、巖體強(qiáng)度較低，這也是巷道掘進(jìn)遇陷落柱圍巖控制困難的重要原因[1-3]。如何控制巷道掘進(jìn)陷落柱過程中圍巖變形是礦井生產(chǎn)過程中遇到的現(xiàn)實(shí)問題，也是眾多學(xué)者研究方向之一[4-6]。

文中先采用數(shù)值模擬技術(shù)手段，對高陽礦28205運(yùn)輸巷原支護(hù)方案過E2333 陷落柱時圍巖變形破壞情況進(jìn)行分析，隨后根據(jù)相關(guān)研究成果、工程類比法對巷道支護(hù)措施進(jìn)行優(yōu)化，從而解決巷道掘進(jìn)過陷落柱時存在的圍巖變形量過大、制約巷道掘進(jìn)問題。

1 28205 運(yùn)輸巷地質(zhì)條件

28205 運(yùn)輸巷沿8 號煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度1 380 m，矩形斷面寬×高=4.5 m×3.5 m，凈斷面15.75 m2。巷道掘進(jìn)工作由三隊(duì)負(fù)責(zé)，掘進(jìn)至9 號地測點(diǎn)前方58.9 m 位置時揭露E2333 陷落柱，現(xiàn)階段巷道左幫已經(jīng)掘進(jìn)進(jìn)陷落柱4.5 m，右?guī)途蜻M(jìn)進(jìn)陷落柱4.3 m，具體巷道揭露陷落柱斷面見圖1。根據(jù)地測科預(yù)測，巷道掘進(jìn)過陷落柱仍需要掘進(jìn)35 m，受到E2333 陷落柱影響，28205 運(yùn)輸巷圍巖破碎，局部裂隙已經(jīng)發(fā)育成黃泥。

2 原巷道支護(hù)方案

巷道過陷落柱時采取的原圍巖控制方案為：錨桿+架棚支護(hù)方式，巷道斷面變更為梯形，毛斷面上、下寬為3.6 m、4.6 m，巷高3.4 m；凈斷面上、下寬3.3 m、4.3 m，巷高3.2 m。采用的架棚規(guī)格參數(shù)為：棚梁長度3.5 m，棚距1.0 m，棚腿長度為3.4 m。頂部施工三根直徑20 mm、長度2 400 mm 的螺紋鋼錨桿，配套使用蝶形托盤，間距1.2 m、排距1.0 m。具體巷道支護(hù)設(shè)計(jì)見圖2。

圖1 巷道揭露陷落柱斷面示意圖

圖2 巷道原支護(hù)示意圖（單位：mm）

采用上述方案掘進(jìn)過陷落柱時，由于陷落柱附近部分裂隙內(nèi)部黃泥存在，同時內(nèi)部為強(qiáng)度低的黏土、破碎巖石等混合，導(dǎo)致施工的頂錨桿圍巖控制效果較差、錨桿失效問題嚴(yán)重，巷幫出現(xiàn)不同程度片幫、幫腿下陷，給巷道的掘進(jìn)安全以及掘進(jìn)效率提升造成顯著不利影響，延伸巷道掘進(jìn)工期。因此，有必要對巷道掘進(jìn)過陷落柱圍巖支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，保證巷道掘進(jìn)安全及掘進(jìn)效率。

3 原巷道支護(hù)圍巖變形的模擬分析

數(shù)值模擬以28205 運(yùn)輸巷地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立模型長×寬×高=120 m×20 m×60 m，模型中各層對應(yīng)巖性參數(shù)賦值參照該礦相應(yīng)巖層巖性參數(shù)。

3.1 圍巖塑形變形

在原支護(hù)方案下，巷道圍巖塑形變形破壞情況見圖3，從圖中可以看出，巷道頂板巖層受到剪切、拉伸破壞嚴(yán)重，塑形發(fā)育范圍已達(dá)到2.8 m 以上，原支護(hù)方案中采用2.4 m 錨桿顯然不能滿足圍巖控制目的，這也是巷道頂部錨桿出現(xiàn)失效的主要原因。巷幫、底板塑形破壞范圍分別達(dá)到1 m、2 m，這也與原支護(hù)條件下巷道過陷落柱出現(xiàn)巷幫片幫、底板底鼓問題相對應(yīng)。

圖3 原支護(hù)參數(shù)下圍巖變形塑形變形情況

3.2 圍巖收斂變形

在原支護(hù)條件下巷道圍巖變形收斂監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 原支護(hù)參數(shù)下圍巖變形收斂監(jiān)測結(jié)果 mm

從表1 可以看出，巷道圍巖整體變形量較大，且頂、底板變形量要顯著高于巷幫收斂量。主要原因是原巷道支護(hù)方案中頂板錨桿支護(hù)失效，巷道頂板架棚承受較大的頂板力，并通過幫退、巷幫傳遞給底板，從而引起頂、底板圍巖變形量高。

通過圍巖塑形變形及收斂變形得知，受到陷落柱影響巷道掘范圍內(nèi)圍巖破碎，在原支護(hù)方案下采用的頂部錨桿失效，底板底鼓量大，幫腿出現(xiàn)不同程度陷入到底板內(nèi)，不能滿足巷道安全掘進(jìn)需要，同時制約巷道掘進(jìn)效率。因從，需要對原巷道支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

4 支護(hù)優(yōu)化方案

根據(jù)礦井勘探地質(zhì)資料，28205 運(yùn)輸巷遇到的E2333 陷落柱內(nèi)泥化嚴(yán)重、巖層十分破碎，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)及理論研究成果，在巷道過此類陷落柱時錨桿往往存在失效問題，可以通過采取縮短架棚間距、表面噴漿、底板硬化等手段來強(qiáng)化圍巖控制。

4.1 架棚間距的合理確定

采用數(shù)值模擬分別0.6 m、0.8 m、1.0 m 架棚間距時的圍巖變形量進(jìn)行模擬，具體監(jiān)測的不同架棚間距時圍巖變形數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同架棚間距時圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

從表2 中可以看出：隨著架棚距離的減小，巷道圍巖變形呈現(xiàn)出逐漸減小趨勢。其中當(dāng)架棚間距從1.0 m 縮短至0.8 m 時，頂、底板合計(jì)變形量從667 mm 降低至541 mm，減少126 mm；兩幫收斂量從380 mm 降低至293 mm，較少87 mm。架棚間距從0.8 m 縮短至0.6 m 時，頂、底板合計(jì)變形量從541 mm 降低至276 mm，減少265 mm；兩幫收斂量從293 mm 降低至163 mm，較少130 mm。架棚間距從1.0 m 縮短至0.8 m 時，圍巖變形減少量明顯低于間距從0.8 m 縮短至0.6 m，且架棚間距在0.6 m 時的圍巖變形量已處于低位，可以滿足巷道后續(xù)使用安全。因此，最終將架棚間距從1.0 m 優(yōu)化至0.6 m。

4.2 圍巖噴漿及底板硬化

巷道表面噴漿、底板硬化后的圍巖塑性區(qū)分布見圖4，通過與圖3 對比得知，對巷道表面進(jìn)行噴漿及底板硬化后，圍巖塑形區(qū)范圍明顯降低。表明，通過噴漿及底板硬化可以解決巷道掘進(jìn)過陷落柱期間面臨的圍巖破碎問題。

圖4 噴漿、底板硬化后的圍巖塑性變形情況

具體圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。通過綜合對比表1、表2 及下頁表3 得知，通過采用縮短架棚間距、巷道表面噴漿及硬化底板措施后，巷道圍巖變形量得以顯著控制，頂、底板最大變形量控制在140mm 左右，兩幫收斂量控制在90mm 左右，圍巖變形量過大問題得以有效控制，巷道斷面可以滿足礦井后續(xù)生產(chǎn)需要。

5 優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案

通過模擬分析以及工程類比，最終確定28205運(yùn)輸巷過E2333 陷落柱時的圍巖支護(hù)參數(shù)見圖5。架棚的間距為0.6 m，盤幫勾頂方式確定為盤六勾八。為了避免棚幫腿陷入底板中，在棚腿底部穿木鞋，具體規(guī)格為0.2 m×0.2 m×0.1 m，棚腿底部柱窩深孔設(shè)計(jì)為150 mm，頂板及巷幫噴漿厚度均為30 mm，底板采用C25 混凝土硬化，厚度為150 mm。

表3 噴漿噴漿及底板硬化后的圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù) mm

圖5 優(yōu)化后的圍巖支護(hù)參數(shù)（單位：mm）

工字鋼間距按照圖5 施工，在巷道中間及煤柱幫采用的工字鋼為兩根一組，通過鐵絲綁扎，其余部位工字鋼為一根一組。在工字鋼梁上鋪設(shè)金屬網(wǎng)（規(guī)格為1.2 m×1.7 m），在巷道中線位置施工一排單體支柱，每隔2 架架棚打一個根單體支柱。

6 支護(hù)效果

28205 運(yùn)輸巷通過E2333 陷落柱共耗時16 d 掘進(jìn)36 m，為了驗(yàn)證優(yōu)化后的圍巖支護(hù)方案效果，在施工現(xiàn)場布置3 個測站，監(jiān)測結(jié)果見圖6。從圖中可以看出，在巷道掘進(jìn)過陷落柱期間頂、底板最大變形量為120 mm，巷幫最大收斂量為90 mm，測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。巷道采用優(yōu)化有的圍巖控制方案，有效解決了巷道掘進(jìn)過陷落柱期間頂部錨桿失效帶來的圍巖變形量過大問題，確保了巷道后續(xù)使用安全。

圖6 巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果