淺埋堅硬頂板巷道快速掘進支護方案設計

李學金

摘 要：文章針對段王礦15號煤層淺埋深、堅硬直接頂的賦存條件，在FLAC數值模擬的基礎上，設計了回采巷道支護方案。使用大直徑錨索、超高強錨桿、高剛度金屬網和鋼帶，加大錨桿（索）間排距，形成了“高強度、高剛度、低密度”的支護方案，充分發揮支護結構的支護效能，提高掘進速度，減少耗材，降低支護成本。

關鍵詞：淺埋深；堅硬頂板；快速掘進

中圖分類號：TD353 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0089-02

Abstract： In view of the occurrence condition of shallow buried depth and hard direct roof in No.15 seam of Duanwang Coal Mine， and based on FLAC numerical simulation， the supporting scheme of mining roadway is designed. By using large diameter anchor cable， super high strength anchor rod， high rigidity metal mesh and steel strip， this paper intends to increase the distance between anchor rods （cables）， forming the support scheme of "high strength， high stiffness and low density" to give full play to the support efficiency of the supporting structure.， so as to improve the speed of driving， reduce the consumption of materials， and cut down the cost of support.

Keywords： shallow burying depth； hard roof； rapid tunneling

1 工程概況

段王礦15號煤層位于太原組下段上部，上距11號煤層21.00～67.47m，平均49.60m。煤層厚度3.19～5.02m，平均4.31m，結構簡單～復雜，含0～3層夾矸，夾矸單層最大厚度為1.11m，為全區穩定可采煤層。

頂板為（K2下）石灰巖，厚度1.60～2.60m，平均1.80m，節理、裂隙較發育，比較堅硬。底板為砂質泥巖，厚度3.50～9.34m，平均5.00m，節理、裂隙較不發育，堅硬程度屬軟弱巖-半堅硬巖。

2 數值模擬

2.1 數值模擬方案

用FLAC3D建立數值模擬模型。巷道尺寸寬×高=4.5m×3.5m，沿15號煤頂板掘進。模型尺寸寬×高=34.5m×37.5m，頂部邊界施加巖層自重應力6.17Mpa，左右邊界水平應力大小自下至上以應力梯度為25KPa/m的速度減小，底部邊界應力為7.12MPa。頂底板巖性及相關參數如表1所示。

2.2 數值模擬結果分析

2.2.1 巷道位移

巷道開挖后未支護時的位移場如圖1所示。

由圖1（a）可知，巷道開挖后，頂板的位移量要遠遠小于底板位移量，其原因時，15號煤層頂板為堅硬灰巖直接頂，其剛度較大，能夠很好的限制頂板的下沉變形。因此，在應力相同的情況下應重視底板的加固，防治底鼓的發生。

由圖1（b）可知，在相同參數條件下，巷道幫部位移量相比頂底板位移量較大，頂底板在水平方向上基本沒有產生位移。因此，巷道開挖后，應及時對幫部進行支護以控制其變形量。

2.2.2 塑性區分布

巷道開挖后塑性區分布如圖2所示。

由圖2可知，在巷道開挖過程中不可避免地在巷道周圍圍巖產生破碎塑性圈，一般來說巷道塑性圈在巷道周圍呈現為近圓形的均勻分布。但根據15號煤實際地質情況所建立的模型塑性區分布，兩幫塑性區范圍較大，而頂底板塑性區范圍較小，其中頂板塑性區分布最不明顯，原因是直接頂為堅硬灰巖，能有效防止上部巖層的變形破碎，并且其作為力的傳遞介質，由于其堅硬的性質，力的損失較小，使兩幫承受較大壓力，所以需加強兩幫的支護，來維持巷道的整體穩定。

綜上所述，在淺埋堅硬頂板條件下，巷道支護時要加強對幫部變形的控制，使巷道頂底板和幫部協調承載，避免頂板的壓力轉移到巷道幫部，造成幫部變形過大。

3 巷道支護方案設計

段王礦15號煤層頂板為完整的堅硬灰巖，同時煤層埋藏較淺，具備使用長錨桿大間排距強護表支護方案的前提。在巷道中等斷面情況下，應減少錨索使用或不使用，或者間隔一定距離施工一根錨索主要用于頂板巖性探測，減少材料消耗，充分發揮支護效能，提高掘進速度。基于此，針對斷面為寬×高=4.5×3.5的回采巷道，設計支護方案如圖3所示。

3.1 頂板錨桿

采用5根MSGLD-335/18×2000錨桿，間排距1000×1200mm。采用MSCK/Z2360雙速樹脂錨固劑、MSZ2335中速樹脂錨固劑各一支加長錨固，預緊力40-60kN，對應的預緊力矩為250-300N·m。采用網格50mm、長×寬=4700×1300mm的礦用鍍鋅菱形金屬網配合梯形鋼帶護表。

3.2 頂板錨索

每2排錨桿布置一組（2根）錨索，規格SKP15.24-7/1860，長度6150mm，與錨桿間隔布置，錨索間排距為2500×2400mm。采用兩支MSCK/Z2360超快速錨固劑加長錨固。初始張拉力不小于80-120kN，每套錨索均應采用萬向調心球墊。

3.3 幫部錨桿

采用4根MSGM-235/16×1800錨桿，間排距為1000×1200mm，錨固方式與頂板相同。護表采用網格50mm、長×寬=3700×1300mm的礦用格賓網配合梯形鋼帶，預緊力矩不小于200N·m，預緊力不小于30kN。

4 結束語

針對15號煤層淺埋深、堅硬直接頂條件，支護方案使用大直徑錨索、超高強錨桿、高剛度金屬網和鋼帶，加大錨桿（索）間排距，形成了“高強度、高剛度、低密度”的支護方案，可大大降低鉆孔施工的工程量，并減少支護材料消耗，充分發揮支護結構的支護效能，提高掘進速度，降低支護成本。巷道掘進過程中，對圍巖變形、頂板離層進行了觀測。結果表明：巷道掘進穩定后，頂板下沉最大值26mm，兩幫移近量最大值為132mm；頂板離層在距離掘進迎頭28m以后基本穩定在4mm左右。巷道支護效果良好，滿足設計要求。

參考文獻：

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