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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。