掘進(jìn)巷道過(guò)背斜構(gòu)造內(nèi)陷落柱巷道支護(hù)技術(shù)研究

侯艷峰

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司朔州分公司，山西 朔州 036899）

0 引 言

巷道掘進(jìn)過(guò)程中，褶皺、陷落柱等復(fù)雜構(gòu)造對(duì)巷道支護(hù)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[1-3]。復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下，傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)基本無(wú)法滿(mǎn)足巷道支護(hù)安全需求和強(qiáng)度需求[4-5]。山西朔州山陰蘭花口前煤業(yè)三采區(qū)4302 工作面區(qū)域存在陷落柱，同時(shí)為背斜褶皺構(gòu)造，為解決4302 巷道掘進(jìn)過(guò)程中穿過(guò)背斜、陷落柱構(gòu)造區(qū)域支護(hù)問(wèn)題，現(xiàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，制定了支護(hù)措施，進(jìn)行了后期效果考察，研究結(jié)果真實(shí)可靠，具有一定的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 4302 工作面概況

目前，三采區(qū)主采煤層為9（4+9）號(hào)煤層，煤層平均厚度7.3 m，頂?shù)装鍘r層情況見(jiàn)表1；采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法。工作面內(nèi)存在陷落柱，勘探陷落柱面積較大，整體位于4302 工作面東翼。煤層頂板為泥巖，底板為泥巖，整體情況如圖1 所示。其中，陷落柱位于上部，距離巷道所在層位水平距離約10 m。工作面順槽長(zhǎng)800 m，工作面切眼長(zhǎng)160 m，巷道掘進(jìn)方式為綜合機(jī)械化掘進(jìn)。

表1 頂?shù)讕r層情況表

2 巷道支護(hù)模擬研究及鉆探考察

2.1 巷道支護(hù)模擬

由于工作面位于背斜構(gòu)造內(nèi)同時(shí)存在有陷落柱，因此綜合考慮以上因素，根據(jù)巷道斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行圍巖應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值模擬研究。假設(shè)煤巖為均勻介質(zhì)，頂?shù)装鍘r層均為均勻介質(zhì)，陷落柱存在于煤巖上層位，距離煤巖8 m?，F(xiàn)建立瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算模型，為流-固耦合模型，綜合考慮了滲透作用對(duì)巖體的影響[6-11]。由于數(shù)值模型為瞬態(tài)模型，基于巖體應(yīng)力理論，以時(shí)間為動(dòng)態(tài)變量進(jìn)行模擬，故根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算得到巷道圍巖在0、30、60、90、120 d 時(shí)巷道圍巖的應(yīng)力分布云圖，具體如圖1 所示。

圖1 圍巖的應(yīng)力分布云圖

假設(shè)上方方形為陷落柱，下面為巷道，頂板巖層受到的豎向力為拱形，由于巷道所處位置為背斜構(gòu)造，故設(shè)置拱形上邊界載荷。由圖1 可知，0-30 d 內(nèi)，圍巖應(yīng)力變化主要集中在陷落柱本體圍巖和巷道圍巖，應(yīng)力未出現(xiàn)相互上部和下步相互耦合現(xiàn)象；60 d開(kāi)始，上部陷落柱應(yīng)力和下部巷道應(yīng)力出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，上部陷落柱出現(xiàn)圍巖變形，應(yīng)力向下部延伸的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象隨著時(shí)間的推移不斷間距，到90 d 時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域擴(kuò)散至融合狀態(tài)。到第120 d 時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域連貫，推測(cè)此時(shí)上部陷落柱和下部巷道全部垮塌。綜合分析，下部巷道支護(hù)強(qiáng)度不足將會(huì)導(dǎo)致整體垮落，主要垮落區(qū)域在巷道兩幫部位。

2.2 鉆探分析

由于數(shù)值模擬基于有限元理論分析，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆探，通過(guò)鉆孔施工分析不同是時(shí)間點(diǎn)上覆巖層的垮落情況。鉆孔施工點(diǎn)為臨近廢棄巷道，施工圖如圖2 所示。鉆孔參數(shù)及鉆孔施工順序見(jiàn)表1。

表1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)及施工表

圖2 考察鉆孔設(shè)計(jì)圖

根據(jù)鉆孔施工情況分析，第1 組鉆孔施工過(guò)程中，從回渣等情況分析，巖層基本穩(wěn)定；第2 組也基本趨于穩(wěn)定；第3 組鉆孔在距離頂板10～13 m 范圍返渣異常，之后趨于穩(wěn)定；第4 組，在距離頂板9～18 m 范圍內(nèi)返渣破碎比較大，鉆機(jī)施工較為輕松；第5 組鉆孔在3～30 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)和第4 組相同情況，通過(guò)鉆孔窺視儀器進(jìn)行孔內(nèi)探測(cè)，基本和數(shù)值模擬結(jié)果一致。

3 巷道支護(hù)措施

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，巷道支護(hù)必須進(jìn)行剛性加固，抵抗豎向應(yīng)力集中導(dǎo)致的垮塌。頂板有陷落柱，僅僅采用錨索支護(hù)方式無(wú)法滿(mǎn)足支護(hù)要求。由于錨索錨固技術(shù)需要將錨索施工至頂板基巖，以頂板基巖作為支撐點(diǎn)，將頂板巖層進(jìn)行錨固的技術(shù)。4302工作面頂板存在陷落柱，頂板就存在基巖不穩(wěn)，在30 d 時(shí)會(huì)出現(xiàn)垮塌的情況，因此，不能僅使用錨固技術(shù)來(lái)進(jìn)行支護(hù)工作。需要一種可以提高豎向向上支撐力支護(hù)技術(shù)，因此可采用U 型鋼結(jié)合錨索錨固技術(shù)的支護(hù)措施。現(xiàn)設(shè)計(jì)支護(hù)措施如圖3 所示。

圖3 支護(hù)措施示意圖

采用錨索錨網(wǎng)+U25 型鋼支護(hù)，錨索均采用φ20 mm×4 800 mm。首先施工錨索錨網(wǎng)作業(yè)，隨后架棚支護(hù)。沿巷道輪廓線(xiàn)架設(shè)并采用木背板背實(shí)。棚梁和棚腿搭接長(zhǎng)度為450 mm，通過(guò)卡纜使用U 型卡子開(kāi)絲100 mm 固定，相鄰2 棚支架間采用6 個(gè)拉桿連接（拉桿采用φ20 mm 螺紋鋼加工），拉桿應(yīng)打設(shè)牢固并成排上線(xiàn)，U 型鋼排間距0.5 m，隨后噴漿。

為考察支護(hù)效果，巷道支護(hù)完成后安裝頂板離層儀，對(duì)頂板情況進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)考察。

4 效果考察

為了解支護(hù)措施是否可靠，對(duì)頂板進(jìn)行考察，頂板離層儀安裝于巷道頂板，安裝示意圖如圖4 所示。

圖4 頂板離層儀安裝示意圖

通過(guò)對(duì)4302 運(yùn)輸巷支護(hù)措施進(jìn)行效果考察，觀測(cè)了頂板離層儀的150 d 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 頂板離層儀數(shù)據(jù)觀測(cè)

由圖5 可知，巷道在101 d 左右時(shí)，頂板一直處于下沉狀態(tài)，深部和淺部均出現(xiàn)了豎向位移，深部最大位移量53 mm，淺部最大位移量為10 mm。深部在101 d 之后未出現(xiàn)位移變化，淺部在98 d 后未出現(xiàn)位移變化。巷道整體位移在安全范圍內(nèi)。

后期對(duì)4302 運(yùn)輸巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直觀觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，巷道未出現(xiàn)整體大面積沉降，巷道完整性較好，無(wú)垮塌、垮落等現(xiàn)象。

5 總 結(jié)

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法，模擬了在陷落柱、褶皺的共同作用下，巷道圍巖演化規(guī)律，制定了支護(hù)方式并進(jìn)行了后期效果考察，得到以下結(jié)論：

1）在背斜構(gòu)造、陷落柱的共同作用下，巷道圍巖在90 d 的時(shí)候出現(xiàn)大面積應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力集中區(qū)域和頂部陷落柱應(yīng)力集中區(qū)域相重合，120 d 時(shí)會(huì)出現(xiàn)整體垮塌現(xiàn)象。

2）制定的支護(hù)措施為U 型鋼和錨索錨固技術(shù)相結(jié)合的措施，增強(qiáng)了整體支撐能力。

3）進(jìn)行后期效果考察結(jié)果可知，頂板深部最大位移為26 mm，淺部最大位移量為7 mm，巷道整體未出現(xiàn)大規(guī)模變，現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)巷道大面積沉降現(xiàn)象，支護(hù)措施安全可靠。

綜上所述，本文綜合運(yùn)用了理論數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)考察等研究方法，研究結(jié)果可靠性強(qiáng)，具有一定的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)意義。