牛明濤

（山西潞安集團(tuán)蒲縣開(kāi)拓煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041000）

巷道掘進(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)斷層、陷落柱等構(gòu)造的情況是常有的[1]。有些斷層斷距大，影響范圍廣，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)只能避開(kāi)施工[2]。開(kāi)拓煤業(yè)3107回風(fēng)巷掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)F309斷層，為避開(kāi)斷層影響，設(shè)計(jì)施工3107跳采面，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件COMSOL對(duì)3017跳采面切眼位置圍巖應(yīng)變情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)巷道掘進(jìn)、圍巖支護(hù)的措施方案進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 概況

3107工作面面長(zhǎng)1200 m，面寬150 m，主采3#煤層。距離3017工作面切眼160 m處存在F309斷層，斷距3 m，傾角60°。為避開(kāi)該斷層，設(shè)計(jì)3017跳采面，跳采面長(zhǎng)度50 m，寬度30 m。巷道布置如圖1。

圖1 3017工作面示意圖

3#煤層平均厚度2 m，底板為泥巖，頂板為砂巖，采用全斷面綜合機(jī)械化掘進(jìn)方式。

2 巷道應(yīng)力分布模擬研究

巷道設(shè)計(jì)斷面如圖2。巷道高度為2 m，頂板寬度為3 m，底板寬度為3.7 m。

圖2 巷道斷面圖

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件COMSOL對(duì)巷道周圍應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件為有限元分析軟件，應(yīng)變可以有效反映圍巖變形特征[3-5]。模擬參數(shù)如下：

表1 模擬參數(shù)表

模擬巷道圍巖應(yīng)變?nèi)鐖D3，其中幫部應(yīng)力分布如圖4。根據(jù)圖3，巷道左右?guī)蛻?yīng)變不同，因此，分別進(jìn)行了左右?guī)蛻?yīng)變研究。底板應(yīng)力分布如圖5。

圖3 巷道周圍應(yīng)力分布云圖

圖4 幫部應(yīng)力分布曲線圖

由圖3、4、5可知，巷道斷面應(yīng)力比較集中的地方為巷道幫部和底部，幫部中部受到的應(yīng)力最大。幫部距離頂板約1.6 m位置處應(yīng)力最大，向下逐漸減?。徽w呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。距離斷層較近的右?guī)蛻?yīng)變比左幫大一個(gè)數(shù)量級(jí)。底板應(yīng)力最大位置點(diǎn)為巷道中部，由中部向兩邊呈逐漸遞減趨勢(shì)。由于是梯形結(jié)構(gòu)，幫部受到法向應(yīng)力和豎向應(yīng)力的雙重作用，因此必須加大幫部結(jié)構(gòu)支護(hù)。由于右?guī)涂拷鼣鄬幼杂擅?，右?guī)捅茸髱偷闹ёo(hù)力度更大。底部要做好防底鼓措施。根據(jù)應(yīng)力曲線分布特點(diǎn)，在幫部距離頂板1.6 m位置處做好支護(hù)措施，支護(hù)錨桿垂直于幫部斜面。

3 支護(hù)方式

巷道支護(hù)常用方法有：?jiǎn)误w柱、π型鋼梁聯(lián)合支護(hù)、錨網(wǎng)等[6-8]。本文根據(jù)數(shù)值模擬情況分別編制了支護(hù)措施。

3.1 臨時(shí)支護(hù)方式

由于跳采面切眼使用周期短，因此僅僅需要進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)便可以滿足礦井安全生產(chǎn)需求。臨時(shí)支護(hù)主要包括超前支護(hù)和后期錨網(wǎng)支護(hù)。

巷道臨時(shí)支護(hù)分別為管棚超前支護(hù)和錨網(wǎng)支護(hù)。進(jìn)行管棚超前支護(hù)措施：在巷道斷面周圍施工Φ100 mm的鋼管，管長(zhǎng)4 m；插入鋼管后注漿固定。錨網(wǎng)支護(hù)采用Φ14 mm的玻璃鋼錨桿，長(zhǎng)度4 m，托盤(pán)40 mm×40 mm，錨桿密度為50 cm×50 cm，錨固之后進(jìn)行噴漿，防止巖石破裂散落。

3.2 3107跳采面切眼（F309斷層）1#聯(lián)巷支護(hù)

（1）頂板支護(hù)

頂板施工錨桿，間距0.9 m，每排4根，垂直于頂板方向施工，這樣可以有效控制頂板豎直方向形變。使用無(wú)縱筋螺紋鋼，鋼帶規(guī)格：Φ14-4-80-3000 mm，托盤(pán)規(guī)格：120 mm×120 mm×8 mm。

單體柱布置：沿巷道傾向打設(shè)單體柱，一梁兩柱架設(shè)，排距800 mm。單體柱打設(shè)完畢后相鄰π型梁之間采用撐棍連接，中間上一根撐棍靠近兩肩窩處分別各上一根撐棍。單體柱規(guī)格：DW28-250/100，π型梁規(guī)格：DFB-2800 mm

（2）右?guī)椭ёo(hù)

由于右?guī)涂拷鼣鄬幼杂擅?，需要加大支護(hù)力度。幫部錨桿每排設(shè)置4根，間距800 mm，錨桿垂直于巷幫施工，使用玻璃鋼錨桿。鋼帶規(guī)格：Φ14-3-80-2300 mm。護(hù)幫采用阻燃尼龍網(wǎng)。

（3）左幫支護(hù)

模擬顯示左幫應(yīng)變較小，因此可適度調(diào)整支護(hù)力度。幫部錨桿每排設(shè)置3根，間距1000 mm。錨桿垂直于巷幫施工，使用玻璃鋼錨桿。

（4）底板支護(hù)

根據(jù)數(shù)值模擬研究結(jié)果分析，底板會(huì)出現(xiàn)較大變形，即底鼓現(xiàn)象。為防止底鼓，底板需要進(jìn)行硬化，主要措施為施工錨桿，鋪設(shè)網(wǎng)片。錨桿Φ14 mm，長(zhǎng)度6 m，鋼制，密度50 cm×50 cm。鋪設(shè)完成網(wǎng)片后進(jìn)行注漿硬化。

（5）架棚支護(hù)

①整個(gè)巷道棚梁以及棚腿采用工字鋼，其中棚梁3.0 m，棚腿2.6 m。

②巷道支護(hù)必須保證完整性，棚梁和棚腿必須無(wú)縫連接，不可出現(xiàn)較大相對(duì)位置的偏移。

③相鄰兩個(gè)棚之間使用鐵拉鉤連接，設(shè)置拉鉤6個(gè)。

④相鄰兩個(gè)支護(hù)棚間距90 cm，不可出現(xiàn)頂板懸空現(xiàn)象。

⑤在架棚過(guò)程中，棚與棚之間除采用鐵拉鉤連接外，還必須采用撐棍連接。兩棚之間采用三根撐棍，棚梁中間上一根撐棍，每幫棚腿靠近梁窩處分別各上一根撐棍，撐棍要打設(shè)在一條直線上。

⑥巷道支護(hù)完成后，安裝頂板離層儀觀測(cè)、單體柱初撐力檢測(cè)、信號(hào)柱觀測(cè)等裝備對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

4 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對(duì)3017跳面巷道圍巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并制定了支護(hù)措施，得出以下結(jié)論：

（1）巷道幫部應(yīng)變比頂板大，因此，幫部支護(hù)必須具備足夠的抗擠壓能力。

（2）由于斷層影響，右?guī)捅茸髱偷膽?yīng)變更大，因此支護(hù)時(shí)必須做到右?guī)椭ёo(hù)力度更大。

（3）巷道支護(hù)完成后，必須安裝相應(yīng)的圍巖觀測(cè)設(shè)備。