掘进巷道过背斜构造内陷落柱巷道支护技术研究

侯艳峰

（山西兰花科技创业股份有限公司朔州分公司，山西 朔州 036899）

0 引 言

巷道掘进过程中，褶皱、陷落柱等复杂构造对巷道支护产生严重威胁[1-3]。复杂地质构造下，传统的锚杆支护基本无法满足巷道支护安全需求和强度需求[4-5]。山西朔州山阴兰花口前煤业三采区4302 工作面区域存在陷落柱，同时为背斜褶皱构造，为解决4302 巷道掘进过程中穿过背斜、陷落柱构造区域支护问题，现进行了数值模拟研究，制定了支护措施，进行了后期效果考察，研究结果真实可靠，具有一定的理论意义和现实意义。

1 4302 工作面概况

目前，三采区主采煤层为9（4+9）号煤层，煤层平均厚度7.3 m，顶底板岩层情况见表1；采用走向长壁综合机械化采煤方法。工作面内存在陷落柱，勘探陷落柱面积较大，整体位于4302 工作面东翼。煤层顶板为泥岩，底板为泥岩，整体情况如图1 所示。其中，陷落柱位于上部，距离巷道所在层位水平距离约10 m。工作面顺槽长800 m，工作面切眼长160 m，巷道掘进方式为综合机械化掘进。

表1 顶底岩层情况表

2 巷道支护模拟研究及钻探考察

2.1 巷道支护模拟

由于工作面位于背斜构造内同时存在有陷落柱，因此综合考虑以上因素，根据巷道断面设计进行围岩应力、应变数值模拟研究。假设煤岩为均匀介质，顶底板岩层均为均匀介质，陷落柱存在于煤岩上层位，距离煤岩8 m。现建立瞬态数值计算模型，为流-固耦合模型，综合考虑了渗透作用对岩体的影响[6-11]。由于数值模型为瞬态模型，基于岩体应力理论，以时间为动态变量进行模拟，故根据数值模型计算得到巷道围岩在0、30、60、90、120 d 时巷道围岩的应力分布云图，具体如图1 所示。

图1 围岩的应力分布云图

假设上方方形为陷落柱，下面为巷道，顶板岩层受到的竖向力为拱形，由于巷道所处位置为背斜构造，故设置拱形上边界载荷。由图1 可知，0-30 d 内，围岩应力变化主要集中在陷落柱本体围岩和巷道围岩，应力未出现相互上部和下步相互耦合现象；60 d开始，上部陷落柱应力和下部巷道应力出现耦合现象，上部陷落柱出现围岩变形，应力向下部延伸的现象，这种现象随着时间的推移不断间距，到90 d 时，应力集中区域扩散至融合状态。到第120 d 时，应力集中区域连贯，推测此时上部陷落柱和下部巷道全部垮塌。综合分析，下部巷道支护强度不足将会导致整体垮落，主要垮落区域在巷道两帮部位。

2.2 钻探分析

由于数值模拟基于有限元理论分析，现场进行钻探，通过钻孔施工分析不同是时间点上覆岩层的垮落情况。钻孔施工点为临近废弃巷道，施工图如图2 所示。钻孔参数及钻孔施工顺序见表1。

表1 钻孔参数设计及施工表

图2 考察钻孔设计图

根据钻孔施工情况分析，第1 组钻孔施工过程中，从回渣等情况分析，岩层基本稳定；第2 组也基本趋于稳定；第3 组钻孔在距离顶板10～13 m 范围返渣异常，之后趋于稳定；第4 组，在距离顶板9～18 m 范围内返渣破碎比较大，钻机施工较为轻松；第5 组钻孔在3～30 m 范围内出现和第4 组相同情况，通过钻孔窥视仪器进行孔内探测，基本和数值模拟结果一致。

3 巷道支护措施

根据数值模拟结果可知，巷道支护必须进行刚性加固，抵抗竖向应力集中导致的垮塌。顶板有陷落柱，仅仅采用锚索支护方式无法满足支护要求。由于锚索锚固技术需要将锚索施工至顶板基岩，以顶板基岩作为支撑点，将顶板岩层进行锚固的技术。4302工作面顶板存在陷落柱，顶板就存在基岩不稳，在30 d 时会出现垮塌的情况，因此，不能仅使用锚固技术来进行支护工作。需要一种可以提高竖向向上支撑力支护技术，因此可采用U 型钢结合锚索锚固技术的支护措施。现设计支护措施如图3 所示。

图3 支护措施示意图

采用锚索锚网+U25 型钢支护，锚索均采用φ20 mm×4 800 mm。首先施工锚索锚网作业，随后架棚支护。沿巷道轮廓线架设并采用木背板背实。棚梁和棚腿搭接长度为450 mm，通过卡缆使用U 型卡子开丝100 mm 固定，相邻2 棚支架间采用6 个拉杆连接（拉杆采用φ20 mm 螺纹钢加工），拉杆应打设牢固并成排上线，U 型钢排间距0.5 m，随后喷浆。

为考察支护效果，巷道支护完成后安装顶板离层仪，对顶板情况进行定期监测考察。

4 效果考察

为了解支护措施是否可靠，对顶板进行考察，顶板离层仪安装于巷道顶板，安装示意图如图4 所示。

图4 顶板离层仪安装示意图

通过对4302 运输巷支护措施进行效果考察，观测了顶板离层仪的150 d 数据，数据如图5 所示。

图5 顶板离层仪数据观测

由图5 可知，巷道在101 d 左右时，顶板一直处于下沉状态，深部和浅部均出现了竖向位移，深部最大位移量53 mm，浅部最大位移量为10 mm。深部在101 d 之后未出现位移变化，浅部在98 d 后未出现位移变化。巷道整体位移在安全范围内。

后期对4302 运输巷进行现场直观观测时发现，巷道未出现整体大面积沉降，巷道完整性较好，无垮塌、垮落等现象。

5 总 结

本文通过数值模拟的方法，模拟了在陷落柱、褶皱的共同作用下，巷道围岩演化规律，制定了支护方式并进行了后期效果考察，得到以下结论：

1）在背斜构造、陷落柱的共同作用下，巷道围岩在90 d 的时候出现大面积应力集中区域，应力集中区域和顶部陷落柱应力集中区域相重合，120 d 时会出现整体垮塌现象。

2）制定的支护措施为U 型钢和锚索锚固技术相结合的措施，增强了整体支撑能力。

3）进行后期效果考察结果可知，顶板深部最大位移为26 mm，浅部最大位移量为7 mm，巷道整体未出现大规模变，现场未出现巷道大面积沉降现象，支护措施安全可靠。

综上所述，本文综合运用了理论数值模拟和现场考察等研究方法，研究结果可靠性强，具有一定的指导意义和现实意义。