大斷面淺埋巷道圍巖控制技術研究

原 野

(山西晉能集團 王莊煤業有限公司，山西 長治 047100)

大斷面淺埋巷道圍巖控制技術研究

原 野

(山西晉能集團 王莊煤業有限公司，山西 長治 047100)

針對王莊煤礦大斷面淺埋巷道的賦存條件，通過對頂板的受力計算，分析了此類巷道的變形特點，提出了巷道支護參數，并對巷道進行了礦壓觀測。結果表明：采用錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯子梁的聯合支護方式，可以增強圍巖的剛性和整體性能，有效控制圍巖的穩定。

大斷面；淺埋；圍巖控制

1 工程概況

王莊煤礦3406措施巷掘進煤層為3#煤，煤層平均厚度為4.85 m，基本頂為粉砂巖，平均厚度1.90 m；直接頂為泥巖，平均厚度2.04 m；直接底為砂質泥巖，平均厚度0.61 m，老底為細粒砂巖，平均厚度2.0 m.巷道設計長度402 m，該段煤層淺部埋深93 m，煤層深部埋深131.3 m.煤層巷道沿頂底板掘進，矩形斷面，掘進斷面寬5.5 m，高5 m，斷面面積27.5 m2，巷道凈寬5.3 m，巷道凈高4.9 m，凈斷面面積25.97 m2，屬于典型的大斷面淺埋巷道。3406措施巷層位關系圖見圖1.

圖1 3406措施巷層位關系圖

2 大斷面巷道頂板受力分析

矩形大斷面巷道頂板可以簡化為兩端固定鉸接的長薄板進行分析，其受力計算模型見圖2.

圖2 大斷面巷道頂板受力計算模型圖

在靜載荷作用下，頂板受力可以看成均布載荷q，假設頂板厚度為h，則頂板在此載荷作用下的撓度曲線可用以下級數來表示：

式中：

q—頂板均布載荷；

h—巖層厚度；

l—頂板巖層跨度；

ω—頂板巖層撓度；

ωmax—頂板巖層撓度最大值；

T—頂板巖層所受張力；

E—頂板巖層彈性模量；

μ—頂板巖層泊松比。

由式(2)可知，ωmax∝l4，即頂板巖層的跨度越大，頂板的最大撓度也就越大，也就是頂板的彎曲變形程度越大。同時，大變形必然導致頂板巖層產生更大的張應力，一旦達到巖層的強度極限，頂板則會發生破壞。

此外，由于巷道埋深較淺，巷道所受均布載荷比較小，頂板及兩幫塑性區范圍也較小。通過鉆孔窺視發現，圍巖破壞范圍最大處在頂板2.24 m深，兩幫則比較小。因此，對于大斷面淺埋巷道，可采用以錨桿(索)為基礎的支護方式進行支護，重點控制頂板巖層的穩定。

3 巷道支護參數設計

根據3406措施巷臨近鉆孔顯示直接頂板厚度2.04 m，不能保持巷道第1層直接頂板的穩定，單純的錨桿支護也不能滿足巷道穩定要求，需要增加錨桿梁、錨索加強支護。采用“錨桿+錨索”聯合支護方式可以發揮擠壓加固作用，促使錨固范圍之內的巖石形成能承受一定載荷的整體結構，維護錨桿長度范圍內的頂板，保持整體性，一定程度上阻止上部圍巖的松動與變形。考慮到頂板中等穩定的特性，采用錨桿梁配合錨桿維護頂板。錨索則錨固在上部穩定的老頂巖層之中，發揮其懸吊作用，將潛在的垮落范圍之內的頂板巖層懸吊于完整堅固的老頂巖體上，由錨索來承擔垮落范圍之內的巖層所受的垂直載荷，防止頂板巖層離層。

由于巷道沿煤層頂底板掘進，為防止頂板破碎，因此，需增加錨桿梁提高頂板整體穩定性。由此可得出礦井錨桿支護初始設計方案如下：

3406措施巷的基本支護方式：錨桿+金屬網+鋼筋梯子梁

加強支護方式：錨索

頂板錨桿材料：高強度螺紋鋼

巷幫錨桿材料：高強度螺紋鋼

設計方案的具體支護參數見表1和表2.

表1 頂錨桿、錨索支護參數表

表2 兩幫錨桿支護參數表

錨桿、錨索的長度和直徑均參考了《采礦工程設計手冊》和《煤巷錨桿支護理論與成套技術》中相關公式的計算結果，并考慮礦井實際情況，結合GB 50419-2007《煤礦巷道斷面和交岔點設計規范》的規定，最終確定表中的參數。對于錨桿間排距，GB 50419-2007《煤礦巷道斷面和交岔點設計規范》的規定：錨桿間距不易大于錨桿長度的1/2；IV、III類圍巖的錨桿間距宜為0.5～1.0 m，不得大于1.25 m.根據我國煤炭系統的經驗，巖石較穩定時，通常取0.8～1.0 m，松軟巖層時，通常取0.6～0.7 m.故3406措施巷頂錨桿間距為700 mm，幫錨桿間距為840 mm，排距均為1 000 mm，減小間排距，從而增大支護強度。

金屬網采用0#鉛絲編制，網孔特征尺寸50 mm，網片寬度1 050 mm.托梁選用d14圓鋼焊制加工的雙筋雙梁鋼筋梯子梁。鋼筋梯子梁寬度均為80 mm，其長度與其所支護的巷道的凈寬和凈高相同。頂板和側幫錨桿均選用120 mm×120 mm×8 mm的拱型高強度托盤，高強球墊和尼龍墊圈，托板承載能力要大于等于200 kN.錨索托板采用厚16 mm鋼板割制而成，其尺寸為長×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm，在托板中心鉆打d20 mm的錨索孔。錨索托板為高強度可調心托板及配套鎖具，承載能力大于400 kN.

4 支護效果分析

3406措施巷于2016年6月下旬動工，9月下旬竣工，掘進長度為402 m.為監測圍巖控制效果，在巷道中布置了4個測站，觀測巷道頂底板及兩幫移近量，并使用GWL150礦用本安型位移傳感器監測頂板離層，使用QFBO5*63/18.9型錨(桿)索測力計監測錨桿、錨索受力情況。監測結果見圖3.

圖3 礦壓顯現監測結果圖

由圖3可知，當巷道穩定時，頂底板移近量在30 mm左右，頂板離層不到2 mm，錨桿、錨索受力穩定，巷道支護效果整體良好，表明采用錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯子梁的聯合支護方式，可以很好地控制大斷面淺埋巷道的圍巖穩定。

5 結 論

大斷面淺埋巷道雖然承載較小，但由于巷道跨度大，頂板仍容易發生較大變形，進而發生破壞。采用錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯子梁的聯合支護方式，并對錨桿、錨索施加較強的預緊力，能夠主動增加圍巖的剛性和整體性能，實現圍巖和支護結構的共同承載，從而使應力峰值向圍巖深部轉移，能夠有效避免圍巖發生大變形破壞。

[1] 周志利.大跨度、大斷面巷道錨桿錨索聯合支護機理研究[J].煤,2011,20(2):6-12.

[2] 秦廣鵬,蔣金泉,孫 森.大變形軟巖頂底板煤巷錨網索聯合支護研究[J].采礦與安全工程學報,2012,29(2):209-214.

[3] 王增剛,陳曹維,彭國良.周邊固定大長寬比矩形薄板撓度計算公式的應用范圍[J].河北科技大學學報,2003(1):69-72.

[4] 寇德瑞,李 亮.大斷面煤層巷道錨桿支護技術應用研究[J].科技情報開發與經濟,2010,20(30):172-174.

[5] 朱建明,徐金海,張宏濤.圍巖大變形機理及控制技術研究[M].北京:科學技術出版社,2010：12-13.

Study on Surrounding Rock Control Technology for Large Section Shallow Buried Roadway

YUAN Ye

In view of the existing conditions of the large-section shallow-buried roadway in Wangzhuang Coal Mine, the paper calculates roof pressure, analyzes the deformation characters of the roadway, and puts forward the parameters of the roadway support . The results show that the combination of bolt, mining cable anchor, metal net, plus steel ladder shape beam can enhance the rigidity and overall performance of surrounding rock, manage the surrounding rock effectively.

Large section; Shallow burial; Surrounding rock control

2016-08-18

原 野(1988—)，男，山西平順人，2011年畢業于中國礦業大學，助理工程師，主要從事煤礦防治水工作

(E-mail)15383559979@163.com

TD353

B

1672-0652(2016)10-0045-03