掘進(jìn)工作面過陷落柱巷道圍巖應(yīng)力分析及支護(hù)技術(shù)研究

＊高穩(wěn)龍

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 044000）

煤礦企業(yè)的井下掘進(jìn)作業(yè)會隨著地質(zhì)構(gòu)造的改變以及地質(zhì)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(fù)雜的地質(zhì)類型，而在這種結(jié)構(gòu)情況下繼續(xù)使用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)支護(hù)形式就不能達(dá)到以往的穩(wěn)固程度以及現(xiàn)實需求[1]。因此，為應(yīng)對上述情況，霍州煤電集團(tuán)某礦在開采3401運輸順槽時，嘗試使用了FLAC3D錨桿支護(hù)動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計法來解決掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的在落柱區(qū)間內(nèi)傳統(tǒng)錨網(wǎng)支護(hù)手段失效、巷道變形量大的現(xiàn)象，該設(shè)計法是在對巷道進(jìn)行地質(zhì)評估以及預(yù)估該作業(yè)段四周圍巖的數(shù)值后，在對各綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬、分析后最終確定了“36U型鋼+錨索網(wǎng)”相結(jié)合的方案[1]。在實際應(yīng)用后，經(jīng)過支護(hù)效果和礦壓檢測后，得出“36U型鋼+錨索網(wǎng)”支護(hù)設(shè)計對處于特殊地質(zhì)構(gòu)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(jìn)工作的順利開展。

1.工程概況

霍州煤電集團(tuán)某礦3401工作面主采煤層為3號煤層。該煤層區(qū)由于受到地質(zhì)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(xiàn)煤層賦存條件發(fā)生很大改變，并且該煤層區(qū)在遇到地質(zhì)構(gòu)造時，會產(chǎn)生驟變和突變的情況。該煤層的煤礦厚度平均為5.8m，產(chǎn)狀大約為300°～320°，上下浮動在5°～15°之間。從掘進(jìn)前的地質(zhì)勘探來看，該煤層的回采區(qū)內(nèi)有落柱而且陷落柱的面較大。預(yù)估3401運輸巷道在掘進(jìn)至235m，回風(fēng)順槽巷道的掘進(jìn)工作在挖掘到283m時將會到達(dá)陷落柱地質(zhì)構(gòu)造區(qū)。

2.巷道圍巖應(yīng)力分布分析

（1）巷道圍巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬研究。在對巷道內(nèi)巖石應(yīng)力分布、巖石硬度、覆巖層的巖性、地質(zhì)構(gòu)造情況以及巷道寬度的3倍范圍內(nèi)的圍巖賦存狀態(tài)等進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集和分析，模擬了巷道地質(zhì)構(gòu)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(gòu)造可影響的范圍假設(shè)為巷道圍巖的8m。借助巖體應(yīng)力分布理論構(gòu)建了瞬態(tài)數(shù)值計算模型，而且還將巖層應(yīng)力在巷道挖掘工作后的變化及分布規(guī)律考慮在內(nèi)，所以圖中的時間單位采取了動態(tài)變化。模擬了巷道在0d、30d、60d、90d、120d時其圍巖應(yīng)力的數(shù)值變化，如圖1所示。

圖1 巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

在進(jìn)行數(shù)值模擬時將上部的陷落柱構(gòu)造體假設(shè)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(gòu)造的影響同時還受到背斜構(gòu)造的影響[3]。結(jié)合圖1作進(jìn)一步的分析，可以看出在巷道挖掘進(jìn)行到0～30d時，在該時段內(nèi)上覆巖層的應(yīng)力主要分布在陷落柱構(gòu)造地質(zhì)的附近以及巷道的四周巖壁上，此時應(yīng)力還沒有發(fā)生耦合以及大范圍分布變動情況；在30～60d時，應(yīng)力發(fā)生了變化，即陷落柱構(gòu)造周圍的應(yīng)力和巷道底部發(fā)生耦合現(xiàn)象，而且在陷落柱構(gòu)造周圍的巖石還發(fā)生了變形，此時應(yīng)力的分布呈現(xiàn)向下方延伸的趨勢，并且與時間成正相關(guān)變動趨勢；在90d時，頂部應(yīng)力開始向下部擴散并集中，出現(xiàn)融合狀態(tài)；在120d時，應(yīng)力則開始全面擴散，并慢慢向上、下部集中，呈現(xiàn)接連和集中狀態(tài)，同時還出現(xiàn)應(yīng)力集中釋放的情況，根據(jù)上述情況，推測此刻巷道整體坍塌。如采用傳統(tǒng)支護(hù)手段，由于支護(hù)強度不佳，該種支護(hù)方式會使得巷道內(nèi)出現(xiàn)大規(guī)模圍巖變形，且支護(hù)無效等問題，更有甚者會發(fā)生巷道頂板坍塌。

（2）鉆探驗證分析。為檢驗?zāi)M實驗的正確性，將在臨近的3403工作面待密閉巷道進(jìn)行鉆探驗證，表1總結(jié)了鉆孔數(shù)據(jù)。

表1 鉆孔參數(shù)

在鉆探驗證期間，第1組過程順利，鉆進(jìn)和返碴數(shù)據(jù)都正常，且?guī)r層狀態(tài)也較為穩(wěn)定；第2組情況同上；第3組在進(jìn)行鉆孔時行至15m時出現(xiàn)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(xiàn)返碴量劇增的情況，因此判定此處巖層發(fā)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(gòu)造對巷道的影響范圍在圍巖的12m內(nèi)，與模擬所得結(jié)果一致。

3.支護(hù)設(shè)計及支護(hù)參數(shù)的選擇

在陷落柱構(gòu)造地質(zhì)區(qū)的巷道出現(xiàn)圍巖變形量大、支護(hù)失效的直接原因是，該地質(zhì)帶來的縱向應(yīng)力，因僅使用傳統(tǒng)支護(hù)手段無法適應(yīng)該地質(zhì)支護(hù)需求，所以在進(jìn)一步討論后，決定在該區(qū)采取“36U型鋼+錨索網(wǎng)”的支護(hù)方式。

在3401工作面運輸、回風(fēng)順槽過陷落柱構(gòu)造期間，采用先錨網(wǎng)支護(hù)、后36U型鋼架棚支護(hù)的支護(hù)方式。巷道主體部分采用半圓拱形斷面進(jìn)行支護(hù)，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(guī)格為Φ22mm×2400mm，且各錨桿的排間距為800mm×800mm；蝶形托盤規(guī)格為150mm×150mm×10mm，每根錨桿采用1節(jié)K2350型快速樹脂錨固劑和1節(jié)22350型中速樹脂錨固劑錨固；鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ6.5mm×1000mm×2000mm，網(wǎng)片搭接長度不小于100mm；采用14＃雙股鐵絲雙排扣聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)間距不大于200mm，采用W型鋼帶壓實鋼網(wǎng)。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(yù)緊力不低于45MPa，幫部錨索預(yù)緊力不低于35MPa。安裝完錨網(wǎng)后使用棚距為600mm的棚架進(jìn)行支護(hù)，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(jìn)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(wǎng)（里層為硬質(zhì)塑料網(wǎng)、外層為鋼筋網(wǎng)）護(hù)表；各個棚之間用3根長440mm、厚10mm的連板進(jìn)行連接固定。具體圖紙和參數(shù)如圖2。

圖2 巷道支護(hù)參數(shù)

4.支護(hù)效果分析

3401運輸順槽在過陷落柱構(gòu)造的掘進(jìn)過程中，采用了上述支護(hù)方案，用來試驗。經(jīng)過該處地質(zhì)構(gòu)造后，在實驗段內(nèi)隔20m設(shè)置一個檢測點并裝置礦壓檢測設(shè)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(jiān)測點，用來測量頂?shù)装搴蛢啥说淖冃瘟考板^索受力情況。圖3為3號礦壓觀測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖3 3401運輸順槽3號礦壓觀測站監(jiān)測結(jié)果

由圖3數(shù)據(jù)變化可知，在時長為120d的監(jiān)測期內(nèi)，3號測站在剛開始的30d內(nèi)，巷道的頂部和底部在此時段內(nèi)是相對穩(wěn)定的，沒有發(fā)生變形；而當(dāng)?shù)竭_(dá)60d時巷道的頂部和底部開始發(fā)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(jìn)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?shù)撞孔冃瘟口呌诜€(wěn)定，圍巖也相對穩(wěn)定，因此，此時圍巖結(jié)構(gòu)已相對穩(wěn)固。

5.結(jié)論

霍州煤電集團(tuán)某礦3401運輸順槽過陷落柱地質(zhì)構(gòu)造前，進(jìn)行了詳細(xì)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(zhì)構(gòu)造的情況下，對掘進(jìn)巷道的影響以及在該情況下巷道圍巖的應(yīng)力分布；最后根據(jù)模擬結(jié)果和數(shù)據(jù)，再不斷優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計，最終確定了采取“36U型鋼+錨索網(wǎng)”相結(jié)合的方案。在該方案應(yīng)用后為期4個月監(jiān)測證明，此支護(hù)方案所在巷道沒有發(fā)生劇烈變形的情況，且圍巖結(jié)構(gòu)也在不斷穩(wěn)定。有力證實了該支護(hù)方案能有效解決在特殊地質(zhì)構(gòu)造中巷道圍巖變形問題，有力推動了巷道掘進(jìn)工作的展開。