巷道掘進過陷落柱支護的優(yōu)化

馬冠華

（汾西礦業(yè)集團高陽煤礦有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

引言

陷落柱是華北地區(qū)煤炭開采常遇地質(zhì)構(gòu)造，山西某礦開采的井田內(nèi)陷落柱較為發(fā)育，在陷落柱附近的煤、巖體風(fēng)化嚴重，從而造成陷落柱周邊巖層弱化。陷落柱形狀一般不規(guī)則，內(nèi)部為黏土、破碎巖石等混合物，強度難以準確預(yù)測，受到陷落柱影響附近煤、巖體強度較低，這也是巷道掘進遇陷落柱圍巖控制困難的重要原因[1-3]。如何控制巷道掘進陷落柱過程中圍巖變形是礦井生產(chǎn)過程中遇到的現(xiàn)實問題，也是眾多學(xué)者研究方向之一[4-6]。

文中先采用數(shù)值模擬技術(shù)手段，對高陽礦28205運輸巷原支護方案過E2333 陷落柱時圍巖變形破壞情況進行分析，隨后根據(jù)相關(guān)研究成果、工程類比法對巷道支護措施進行優(yōu)化，從而解決巷道掘進過陷落柱時存在的圍巖變形量過大、制約巷道掘進問題。

1 28205 運輸巷地質(zhì)條件

28205 運輸巷沿8 號煤層底板掘進，設(shè)計掘進長度1 380 m，矩形斷面寬×高=4.5 m×3.5 m，凈斷面15.75 m2。巷道掘進工作由三隊負責(zé)，掘進至9 號地測點前方58.9 m 位置時揭露E2333 陷落柱，現(xiàn)階段巷道左幫已經(jīng)掘進進陷落柱4.5 m，右?guī)途蜻M進陷落柱4.3 m，具體巷道揭露陷落柱斷面見圖1。根據(jù)地測科預(yù)測，巷道掘進過陷落柱仍需要掘進35 m，受到E2333 陷落柱影響，28205 運輸巷圍巖破碎，局部裂隙已經(jīng)發(fā)育成黃泥。

2 原巷道支護方案

巷道過陷落柱時采取的原圍巖控制方案為：錨桿+架棚支護方式，巷道斷面變更為梯形，毛斷面上、下寬為3.6 m、4.6 m，巷高3.4 m；凈斷面上、下寬3.3 m、4.3 m，巷高3.2 m。采用的架棚規(guī)格參數(shù)為：棚梁長度3.5 m，棚距1.0 m，棚腿長度為3.4 m。頂部施工三根直徑20 mm、長度2 400 mm 的螺紋鋼錨桿，配套使用蝶形托盤，間距1.2 m、排距1.0 m。具體巷道支護設(shè)計見圖2。

圖1 巷道揭露陷落柱斷面示意圖

圖2 巷道原支護示意圖（單位：mm）

采用上述方案掘進過陷落柱時，由于陷落柱附近部分裂隙內(nèi)部黃泥存在，同時內(nèi)部為強度低的黏土、破碎巖石等混合，導(dǎo)致施工的頂錨桿圍巖控制效果較差、錨桿失效問題嚴重，巷幫出現(xiàn)不同程度片幫、幫腿下陷，給巷道的掘進安全以及掘進效率提升造成顯著不利影響，延伸巷道掘進工期。因此，有必要對巷道掘進過陷落柱圍巖支護方案進行優(yōu)化，保證巷道掘進安全及掘進效率。

3 原巷道支護圍巖變形的模擬分析

數(shù)值模擬以28205 運輸巷地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立模型長×寬×高=120 m×20 m×60 m，模型中各層對應(yīng)巖性參數(shù)賦值參照該礦相應(yīng)巖層巖性參數(shù)。

3.1 圍巖塑形變形

在原支護方案下，巷道圍巖塑形變形破壞情況見圖3，從圖中可以看出，巷道頂板巖層受到剪切、拉伸破壞嚴重，塑形發(fā)育范圍已達到2.8 m 以上，原支護方案中采用2.4 m 錨桿顯然不能滿足圍巖控制目的，這也是巷道頂部錨桿出現(xiàn)失效的主要原因。巷幫、底板塑形破壞范圍分別達到1 m、2 m，這也與原支護條件下巷道過陷落柱出現(xiàn)巷幫片幫、底板底鼓問題相對應(yīng)。

圖3 原支護參數(shù)下圍巖變形塑形變形情況

3.2 圍巖收斂變形

在原支護條件下巷道圍巖變形收斂監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 原支護參數(shù)下圍巖變形收斂監(jiān)測結(jié)果 mm

從表1 可以看出，巷道圍巖整體變形量較大，且頂、底板變形量要顯著高于巷幫收斂量。主要原因是原巷道支護方案中頂板錨桿支護失效，巷道頂板架棚承受較大的頂板力，并通過幫退、巷幫傳遞給底板，從而引起頂、底板圍巖變形量高。

通過圍巖塑形變形及收斂變形得知，受到陷落柱影響巷道掘范圍內(nèi)圍巖破碎，在原支護方案下采用的頂部錨桿失效，底板底鼓量大，幫腿出現(xiàn)不同程度陷入到底板內(nèi)，不能滿足巷道安全掘進需要，同時制約巷道掘進效率。因從，需要對原巷道支護方案進行優(yōu)化。

4 支護優(yōu)化方案

根據(jù)礦井勘探地質(zhì)資料，28205 運輸巷遇到的E2333 陷落柱內(nèi)泥化嚴重、巖層十分破碎，根據(jù)以往工程經(jīng)驗及理論研究成果，在巷道過此類陷落柱時錨桿往往存在失效問題，可以通過采取縮短架棚間距、表面噴漿、底板硬化等手段來強化圍巖控制。

4.1 架棚間距的合理確定

采用數(shù)值模擬分別0.6 m、0.8 m、1.0 m 架棚間距時的圍巖變形量進行模擬，具體監(jiān)測的不同架棚間距時圍巖變形數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同架棚間距時圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

從表2 中可以看出：隨著架棚距離的減小，巷道圍巖變形呈現(xiàn)出逐漸減小趨勢。其中當(dāng)架棚間距從1.0 m 縮短至0.8 m 時，頂、底板合計變形量從667 mm 降低至541 mm，減少126 mm；兩幫收斂量從380 mm 降低至293 mm，較少87 mm。架棚間距從0.8 m 縮短至0.6 m 時，頂、底板合計變形量從541 mm 降低至276 mm，減少265 mm；兩幫收斂量從293 mm 降低至163 mm，較少130 mm。架棚間距從1.0 m 縮短至0.8 m 時，圍巖變形減少量明顯低于間距從0.8 m 縮短至0.6 m，且架棚間距在0.6 m 時的圍巖變形量已處于低位，可以滿足巷道后續(xù)使用安全。因此，最終將架棚間距從1.0 m 優(yōu)化至0.6 m。

4.2 圍巖噴漿及底板硬化

巷道表面噴漿、底板硬化后的圍巖塑性區(qū)分布見圖4，通過與圖3 對比得知，對巷道表面進行噴漿及底板硬化后，圍巖塑形區(qū)范圍明顯降低。表明，通過噴漿及底板硬化可以解決巷道掘進過陷落柱期間面臨的圍巖破碎問題。

圖4 噴漿、底板硬化后的圍巖塑性變形情況

具體圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。通過綜合對比表1、表2 及下頁表3 得知，通過采用縮短架棚間距、巷道表面噴漿及硬化底板措施后，巷道圍巖變形量得以顯著控制，頂、底板最大變形量控制在140mm 左右，兩幫收斂量控制在90mm 左右，圍巖變形量過大問題得以有效控制，巷道斷面可以滿足礦井后續(xù)生產(chǎn)需要。

5 優(yōu)化后的巷道支護方案

通過模擬分析以及工程類比，最終確定28205運輸巷過E2333 陷落柱時的圍巖支護參數(shù)見圖5。架棚的間距為0.6 m，盤幫勾頂方式確定為盤六勾八。為了避免棚幫腿陷入底板中，在棚腿底部穿木鞋，具體規(guī)格為0.2 m×0.2 m×0.1 m，棚腿底部柱窩深孔設(shè)計為150 mm，頂板及巷幫噴漿厚度均為30 mm，底板采用C25 混凝土硬化，厚度為150 mm。

表3 噴漿噴漿及底板硬化后的圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù) mm

圖5 優(yōu)化后的圍巖支護參數(shù)（單位：mm）

工字鋼間距按照圖5 施工，在巷道中間及煤柱幫采用的工字鋼為兩根一組，通過鐵絲綁扎，其余部位工字鋼為一根一組。在工字鋼梁上鋪設(shè)金屬網(wǎng)（規(guī)格為1.2 m×1.7 m），在巷道中線位置施工一排單體支柱，每隔2 架架棚打一個根單體支柱。

6 支護效果

28205 運輸巷通過E2333 陷落柱共耗時16 d 掘進36 m，為了驗證優(yōu)化后的圍巖支護方案效果，在施工現(xiàn)場布置3 個測站，監(jiān)測結(jié)果見圖6。從圖中可以看出，在巷道掘進過陷落柱期間頂、底板最大變形量為120 mm，巷幫最大收斂量為90 mm，測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。巷道采用優(yōu)化有的圍巖控制方案，有效解決了巷道掘進過陷落柱期間頂部錨桿失效帶來的圍巖變形量過大問題，確保了巷道后續(xù)使用安全。

圖6 巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果