3107跳采面切眼掘进及围岩支护技术研究

牛明涛

（山西潞安集团蒲县开拓煤业有限公司，山西 临汾 041000）

巷道掘进过程中，出现断层、陷落柱等构造的情况是常有的[1]。有些断层断距大，影响范围广，导致巷道掘进只能避开施工[2]。开拓煤业3107回风巷掘进过程中出现F309断层，为避开断层影响，设计施工3107跳采面，运用数值模拟软件COMSOL对3017跳采面切眼位置围岩应变情况进行了数值模拟研究。根据数值模拟结果对巷道掘进、围岩支护的措施方案进行了相关研究。

1 概况

3107工作面面长1200 m，面宽150 m，主采3#煤层。距离3017工作面切眼160 m处存在F309断层，断距3 m，倾角60°。为避开该断层，设计3017跳采面，跳采面长度50 m，宽度30 m。巷道布置如图1。

图1 3017工作面示意图

3#煤层平均厚度2 m，底板为泥岩，顶板为砂岩，采用全断面综合机械化掘进方式。

2 巷道应力分布模拟研究

巷道设计断面如图2。巷道高度为2 m，顶板宽度为3 m，底板宽度为3.7 m。

图2 巷道断面图

运用数值模拟软件COMSOL对巷道周围应变进行数值模拟。该软件为有限元分析软件，应变可以有效反映围岩变形特征[3-5]。模拟参数如下：

表1 模拟参数表

模拟巷道围岩应变如图3，其中帮部应力分布如图4。根据图3，巷道左右帮应变不同，因此，分别进行了左右帮应变研究。底板应力分布如图5。

图3 巷道周围应力分布云图

图4 帮部应力分布曲线图

由图3、4、5可知，巷道断面应力比较集中的地方为巷道帮部和底部，帮部中部受到的应力最大。帮部距离顶板约1.6 m位置处应力最大，向下逐渐减小；整体呈现先增大后降低的趋势。距离断层较近的右帮应变比左帮大一个数量级。底板应力最大位置点为巷道中部，由中部向两边呈逐渐递减趋势。由于是梯形结构，帮部受到法向应力和竖向应力的双重作用，因此必须加大帮部结构支护。由于右帮靠近断层自由面，右帮比左帮的支护力度更大。底部要做好防底鼓措施。根据应力曲线分布特点，在帮部距离顶板1.6 m位置处做好支护措施，支护锚杆垂直于帮部斜面。

3 支护方式

巷道支护常用方法有：单体柱、π型钢梁联合支护、锚网等[6-8]。本文根据数值模拟情况分别编制了支护措施。

3.1 临时支护方式

由于跳采面切眼使用周期短，因此仅仅需要进行临时支护便可以满足矿井安全生产需求。临时支护主要包括超前支护和后期锚网支护。

巷道临时支护分别为管棚超前支护和锚网支护。进行管棚超前支护措施：在巷道断面周围施工Φ100 mm的钢管，管长4 m；插入钢管后注浆固定。锚网支护采用Φ14 mm的玻璃钢锚杆，长度4 m，托盘40 mm×40 mm，锚杆密度为50 cm×50 cm，锚固之后进行喷浆，防止岩石破裂散落。

3.2 3107跳采面切眼（F309断层）1#联巷支护

（1）顶板支护

顶板施工锚杆，间距0.9 m，每排4根，垂直于顶板方向施工，这样可以有效控制顶板竖直方向形变。使用无纵筋螺纹钢，钢带规格：Φ14-4-80-3000 mm，托盘规格：120 mm×120 mm×8 mm。

单体柱布置：沿巷道倾向打设单体柱，一梁两柱架设，排距800 mm。单体柱打设完毕后相邻π型梁之间采用撑棍连接，中间上一根撑棍靠近两肩窝处分别各上一根撑棍。单体柱规格：DW28-250/100，π型梁规格：DFB-2800 mm

（2）右帮支护

由于右帮靠近断层自由面，需要加大支护力度。帮部锚杆每排设置4根，间距800 mm，锚杆垂直于巷帮施工，使用玻璃钢锚杆。钢带规格：Φ14-3-80-2300 mm。护帮采用阻燃尼龙网。

（3）左帮支护

模拟显示左帮应变较小，因此可适度调整支护力度。帮部锚杆每排设置3根，间距1000 mm。锚杆垂直于巷帮施工，使用玻璃钢锚杆。

（4）底板支护

根据数值模拟研究结果分析，底板会出现较大变形，即底鼓现象。为防止底鼓，底板需要进行硬化，主要措施为施工锚杆，铺设网片。锚杆Φ14 mm，长度6 m，钢制，密度50 cm×50 cm。铺设完成网片后进行注浆硬化。

（5）架棚支护

①整个巷道棚梁以及棚腿采用工字钢，其中棚梁3.0 m，棚腿2.6 m。

②巷道支护必须保证完整性，棚梁和棚腿必须无缝连接，不可出现较大相对位置的偏移。

③相邻两个棚之间使用铁拉钩连接，设置拉钩6个。

④相邻两个支护棚间距90 cm，不可出现顶板悬空现象。

⑤在架棚过程中，棚与棚之间除采用铁拉钩连接外，还必须采用撑棍连接。两棚之间采用三根撑棍，棚梁中间上一根撑棍，每帮棚腿靠近梁窝处分别各上一根撑棍，撑棍要打设在一条直线上。

⑥巷道支护完成后，安装顶板离层仪观测、单体柱初撑力检测、信号柱观测等装备对巷道围岩变形情况进行实时观测。

4 结论

运用数值模拟软件对3017跳面巷道围岩应力分布情况进行了数值模拟研究，并制定了支护措施，得出以下结论：

（1）巷道帮部应变比顶板大，因此，帮部支护必须具备足够的抗挤压能力。

（2）由于断层影响，右帮比左帮的应变更大，因此支护时必须做到右帮支护力度更大。

（3）巷道支护完成后，必须安装相应的围岩观测设备。