松散巖層回采巷道圍巖控制及支護技術研究

魏少華

（同煤集團晉華宮煤礦，山西 大同 037000）

山西晉煤集團沁水胡底煤礦開采水平垂深500～700m，回采巷道頂、底板圍巖屬于松散巖層，松散巖層巷道圍巖往往具有變形量大、變形持續時間長等特點，在地應力、構造應力及采動影響作用下，目前可以提供的支護手段無法完全阻止松散巖層巷道發生變形，巷道的支護與維護問題非常突出。受1301工作面回采動壓影響，1303膠帶運輸順槽（區段煤柱為40m）圍巖變形嚴重，且呈持續變形狀態，巷幫最大變形量達到1200mm，頂板下沉量最大為500mm，底板最大鼓起500mm。采用錨索補強和架棚支護對變形區域進行了多次返修，一定程度上減緩了膠帶運輸順槽圍巖變形的速度，但仍未徹底解決巷道圍巖的變形問題。為確保礦井安全、可持續生產，迫切需要對松散巖層回采巷道的圍巖變形規律和破壞特征進行分析，確定合理的圍巖控制技術以及支護參數，有效控制巷道圍巖變形破壞。

1 工程地質概況

胡底煤礦井田煤層埋深較大，井田內主要地質構造以褶曲為主，斷裂構造不發育，現開采的3#煤層位于山西組下部，上距下石盒子底砂巖（K8）31.74～42.33m，下距山西組底砂巖（K7）3.30～9.69m，全區穩定可采。煤層厚度5.20～6.15m，平均厚度5.72m，煤層傾角3°～10°，平均6°，煤層結構簡單，無夾矸，分兩層開采。

回采巷道沿3#煤頂板掘進，巷道斷面為矩形，其規格為：毛高3.1m，毛寬5.2m，毛斷面面積16.12m2，凈高3.0m，凈寬5.0m，凈斷面面積15.0m2，采用“錨網+W型鋼帶+錨索”組合支護方式。

2 巷道圍巖破壞機理

（1）巷道斷面的影響。回采巷道斷面為矩形，毛高3.1m，毛寬5.2m。巷道越寬，頂板產生的拉應力就越大，越容易發生變形，如果支護不及時或者支護強度不夠，就會產生冒頂現象。同時巷道為矩形斷面，巷道頂底板的中部受到拉應力作用，最大拉應力處于頂底板邊緣處，巷道兩幫壓應力比較集中，最大值處于兩幫周邊，應力集中于巷道的四個角上，且受力狀態非常差，對巷道穩定性產生不利影響，增加了支護難度。

（2）圍巖巖性的影響。回采巷道沿3#煤頂板布置，巷道頂、底板圍巖屬于松散巖層，大多數是塑性圍巖，且不是完整整體，圍巖強度低，不利于巷道穩定。

（3）圍巖地應力的影響。巷道圍巖應力與巷道埋深成正比，埋深越大，圍巖原巖應力越大，其支護也越困難。回采巷道沿3#煤布置，開采水平垂深達500～700m，在不考慮構造及采動影響的前提下，垂直地應力達13.5～18.9MPa，如受采動影響，圍巖地應力數倍高于垂直地應力，圍巖地應力大。

3 巷道支護模擬及設計方案

3.1 數值模型

為了使3#煤層回采巷道支護參數更加科學合理，結合回采巷道實際地質條件及理論分析的基礎上，借助FLAC3D數值模擬軟件，對頂板錨桿長度、錨索長度和密度等重要參數進行模擬計算，以優化設計參數。模擬對象為胡底煤礦13052巷，巷道沿3#煤層頂板掘進，巷道斷面形狀為矩形。

（1）模擬方案

方案1:每排2根錨索，采用矩形布置，間距1.8m，排距為2.0m。

方案2:每排1.5根錨索，采用“2-1-2-1”布置，排距為1.0m。2根/排錨索時，間距1.8m，距幫1.7m；1根/排錨索時，布置在巷道正中。

方案3:每排2根錨索，采用矩形布置，間距1.8m，排距為1.0m。

方案4:每排2.5根錨索，采用“2-3-2-3”布置，排距為1.0m。2根/排錨索時，間距1.8m，距幫1.7m；3根/排錨索時，巷道中間1根，錨索間距1.6m，距幫1.0m。

方案5:每排3根錨索，采用矩形布置，巷道中間1根，錨索間距1.6m，排距為1.0m。

（2）結果分析

不同支護方案巷道圍巖塑性破壞區隨錨索數目與布置方式的不同具有顯著變化，如表1、表2及圖1、圖2所示。

綜合考慮回采巷道支護設計的經濟性與合理性，以及回采巷道的服務年限和受采動影響情況，采用方案4作為13052巷支護設計方案。

表1 不同支護方案巷道圍巖塑性破壞區范圍

表2 錨索密度不同時巷道圍巖變形量

圖1 不同支護方案與圍巖塑性破壞區的關系

圖2 錨索密度與巷道圍巖變形的關系

3.2 巷道支護設計

根據錨桿-錨索協調支護理論，綜合考慮錨索的延伸量及13052巷回采巷道受兩次采動影響、服務時間長、巷道圍巖變形破壞嚴重等因素，采用高強度錨桿+錨索支護方案。

（1）巷道頂板支護

采用Ф22mm×7300mm高強度低松馳鋼鉸線錨索，矩形布置，排距為2.0m，間距2.0m，距幫1.6m，錨索施工角度與頂板垂直。

采用Ф22mm×2400mm高強錨桿，間排距0.9m×1.0m，每排6根錨桿，距幫0.35m開始布置，靠近巷幫的頂板錨桿安設角度與垂直線成10°角，其余與頂板垂直。

采用W鋼帶護頂，鋼帶厚度4mm，寬度280mm，長度4.9m。

（2）巷道兩幫支護

采用Ф22mm×2400mm高強錨桿，間排距1.0m×1.0m，每排每幫3根錨桿，頂錨桿距頂板0.4m，安設角度與水平成向上10°角，底錨桿距底板0.7m，安設角度與水平成向下10°角，其余與巷幫垂直。

巷道支護設計如圖3所示。

圖3 13052巷支護設計圖

4 結 語

胡底煤礦松散巖層13052回采巷道采用“高強度錨桿+錨索”聯合支護方案，圍巖控制效果好，能有效減少巷道的維護和返修量，工作面開采過程中未實行巷道的返修，提高了巷道支護的可靠性和工程質量，實現了安全、經濟、高效的目標。