掘进工作面过陷落柱巷道围岩应力分析及支护技术研究

＊高稳龙

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司 山西 044000）

煤矿企业的井下掘进作业会随着地质构造的改变以及地质的不断运动而受到阻碍，在挖掘巷道时会在开采过程中遇到向斜、褶皱等复杂的地质类型，而在这种结构情况下继续使用传统的锚网支护形式就不能达到以往的稳固程度以及现实需求[1]。因此，为应对上述情况，霍州煤电集团某矿在开采3401运输顺槽时，尝试使用了FLAC3D锚杆支护动态系统设计法来解决掘进过程中出现的在落柱区间内传统锚网支护手段失效、巷道变形量大的现象，该设计法是在对巷道进行地质评估以及预估该作业段四周围岩的数值后，在对各综合数据进行模拟、分析后最终确定了“36U型钢+锚索网”相结合的方案[1]。在实际应用后，经过支护效果和矿压检测后，得出“36U型钢+锚索网”支护设计对处于特殊地质构造中巷道围岩变形量有很好的控制作用，从而保障下一阶段的巷道掘进工作的顺利开展。

1.工程概况

霍州煤电集团某矿3401工作面主采煤层为3号煤层。该煤层区由于受到地质运动的影响其顶部和底部的板岩层都有一定幅度的滑动，所以3号煤层的局部会出现煤层赋存条件发生很大改变，并且该煤层区在遇到地质构造时，会产生骤变和突变的情况。该煤层的煤矿厚度平均为5.8m，产状大约为300°～320°，上下浮动在5°～15°之间。从掘进前的地质勘探来看，该煤层的回采区内有落柱而且陷落柱的面较大。预估3401运输巷道在掘进至235m，回风顺槽巷道的掘进工作在挖掘到283m时将会到达陷落柱地质构造区。

2.巷道围岩应力分布分析

（1）巷道围岩应力分布数值模拟研究。在对巷道内岩石应力分布、岩石硬度、覆岩层的岩性、地质构造情况以及巷道宽度的3倍范围内的围岩赋存状态等进行了数据收集和分析，模拟了巷道地质构造以及采动影响的影响程度与影响范围[2]。在该模拟中，将陷落柱构造可影响的范围假设为巷道围岩的8m。借助岩体应力分布理论构建了瞬态数值计算模型，而且还将岩层应力在巷道挖掘工作后的变化及分布规律考虑在内，所以图中的时间单位采取了动态变化。模拟了巷道在0d、30d、60d、90d、120d时其围岩应力的数值变化，如图1所示。

图1 巷道围岩应力分布规律

在进行数值模拟时将上部的陷落柱构造体假设为方形，而巷道则在方形下部，但是该巷道所在的位置较为特殊，它不仅受到陷落柱构造的影响同时还受到背斜构造的影响[3]。结合图1作进一步的分析，可以看出在巷道挖掘进行到0～30d时，在该时段内上覆岩层的应力主要分布在陷落柱构造地质的附近以及巷道的四周岩壁上，此时应力还没有发生耦合以及大范围分布变动情况；在30～60d时，应力发生了变化，即陷落柱构造周围的应力和巷道底部发生耦合现象，而且在陷落柱构造周围的岩石还发生了变形，此时应力的分布呈现向下方延伸的趋势，并且与时间成正相关变动趋势；在90d时，顶部应力开始向下部扩散并集中，出现融合状态；在120d时，应力则开始全面扩散，并慢慢向上、下部集中，呈现接连和集中状态，同时还出现应力集中释放的情况，根据上述情况，推测此刻巷道整体坍塌。如采用传统支护手段，由于支护强度不佳，该种支护方式会使得巷道内出现大规模围岩变形，且支护无效等问题，更有甚者会发生巷道顶板坍塌。

（2）钻探验证分析。为检验模拟实验的正确性，将在临近的3403工作面待密闭巷道进行钻探验证，表1总结了钻孔数据。

表1 钻孔参数

在钻探验证期间，第1组过程顺利，钻进和返碴数据都正常，且岩层状态也较为稳定；第2组情况同上；第3组在进行钻孔时行至15m时出现状况，速度减缓、钻杆摇晃频率增加、返碴量小等；第4组则在钻至23m时出现返碴量剧增的情况，因此判定此处岩层发生破裂和垮落，钻速加快；第5组则在28m处遇到上述4组所遇情况。上述实操证明，陷落柱构造对巷道的影响范围在围岩的12m内，与模拟所得结果一致。

3.支护设计及支护参数的选择

在陷落柱构造地质区的巷道出现围岩变形量大、支护失效的直接原因是，该地质带来的纵向应力，因仅使用传统支护手段无法适应该地质支护需求，所以在进一步讨论后，决定在该区采取“36U型钢+锚索网”的支护方式。

在3401工作面运输、回风顺槽过陷落柱构造期间，采用先锚网支护、后36U型钢架棚支护的支护方式。巷道主体部分采用半圆拱形断面进行支护，型号为高3.5m、宽5.6m、净断面为17.5m2。支撑所用锚杆则选取左旋无纵筋高强锚杆，规格为Φ22mm×2400mm，且各锚杆的排间距为800mm×800mm；蝶形托盘规格为150mm×150mm×10mm，每根锚杆采用1节K2350型快速树脂锚固剂和1节22350型中速树脂锚固剂锚固；钢筋网规格为Φ6.5mm×1000mm×2000mm，网片搭接长度不小于100mm；采用14＃双股铁丝双排扣联网，联网间距不大于200mm，采用W型钢带压实钢网。巷道顶部采用Φ21.6mm×8200mm锚索，帮部采用Φ21.6mm×4200mm锚索，间排距1100mm×1100mm；顶板锚索预紧力不低于45MPa，帮部锚索预紧力不低于35MPa。安装完锚网后使用棚距为600mm的棚架进行支护，型号为36U；一梁两腿，腿安装在梁外，两腿间距500mm，且用3道卡缆进行固定，铁椽杆间距300～350mm（顶部间距300mm，帮部间距350mm），采用双层网（里层为硬质塑料网、外层为钢筋网）护表；各个棚之间用3根长440mm、厚10mm的连板进行连接固定。具体图纸和参数如图2。

图2 巷道支护参数

4.支护效果分析

3401运输顺槽在过陷落柱构造的掘进过程中，采用了上述支护方案，用来试验。经过该处地质构造后，在实验段内隔20m设置一个检测点并装置矿压检测设备，包括WBY-10顶板离层仪、MCZ-300锚杆（索）测力计，并分别在巷道顶部的中央以及巷道两端各布置1个监测点，用来测量顶底板和两端的变形量及锚索受力情况。图3为3号矿压观测点的监测数据。

图3 3401运输顺槽3号矿压观测站监测结果

由图3数据变化可知，在时长为120d的监测期内，3号测站在刚开始的30d内，巷道的顶部和底部在此时段内是相对稳定的，没有发生变形；而当到达60d时巷道的顶部和底部开始发生剧烈变形，安装在顶部的离层仪其所在最深度和最浅度的位置都进行了竖向位移；在90d时，巷道顶部的变形开始放缓，此时顶部离层仪的最深部和最浅部的位置保持不变；在120d时，此时顶底部变形量趋于稳定，围岩也相对稳定，因此，此时围岩结构已相对稳固。

5.结论

霍州煤电集团某矿3401运输顺槽过陷落柱地质构造前，进行了详细的模拟实验并采用了钻探验证，综合分析了在陷落柱和断层等特殊地质构造的情况下，对掘进巷道的影响以及在该情况下巷道围岩的应力分布；最后根据模拟结果和数据，再不断优化巷道支护设计，最终确定了采取“36U型钢+锚索网”相结合的方案。在该方案应用后为期4个月监测证明，此支护方案所在巷道没有发生剧烈变形的情况，且围岩结构也在不断稳定。有力证实了该支护方案能有效解决在特殊地质构造中巷道围岩变形问题，有力推动了巷道掘进工作的展开。