回采巷道圍巖控制支護技術應用

佟洪廣

（山西晉城煤業勘察設計院有限公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

胡底礦3 煤埋深較大，開采水平垂深約700 m，內部地質構造以褶曲為主，斷裂構造不發育。煤層厚度5.20～6.15 m，平均5.72 m； 傾角3°～10°，平均6°；煤層結構簡單，無夾矸，為全區穩定可采煤層，采用傾斜長壁綜合機械化分層采煤法回采。煤層頂底板情況見表1。

1303（上）分層綜采工作面位于3 煤一盤區南部，其13032 巷為本工作面回風巷，在工作面回采完畢后，將該巷復用為1305（上）分層工作面的進風和運料巷。工作面巷道平面布置見圖1。13032 巷凈斷面尺寸高×寬為3 000 mm×5 000 mm，采用“錨網+錨索”聯合支護。由于13032 巷斷面尺寸較大，同時在地應力、構造應力和兩次采動影響作用下，圍巖變形嚴重、破壞范圍大，巷道維護問題突出。

圖1 工作面巷道平面布置

2 巷道圍巖破壞影響因素及支護方案

2.1 巷道圍巖破壞影響因素

13032巷為大埋深、大斷面和受兩次采動影響的回采巷道。首先，巷道所受圍巖靜壓和圍巖應力與埋深成正比，且圍巖靜壓呈均勻分布，故支護強度最薄弱部位支護結構會率先失效[1-3]；而煤的自承力較差，在支護結構失效后，巷道圍巖會在很短時間內發生劇烈變形而導致失穩破壞[4]。其次，矩形巷道周邊極易出現受拉區域，受力狀態較差，圍巖常會產生張拉力而引起巷道變形破壞[5]。然后，在1303（上）分層和1305（上）分層綜采工作面兩次采動影響下，導致工作面前方與側方出現應力集中，增加了13032 巷圍巖支護結構上的荷載，若支護結構強度不夠也將會發生變形破壞。

2.2 巷道圍巖支護方案

煤巷圍巖強度偏低、完整性較差且節理發育，在對其圍巖控制時應遵循六項原則：圍巖變形量控制、可縮性支護、高強度加固、整體錨固、及時支護和提高圍巖自身強度原則[6-8]。

基于圍巖破壞影響因素和巷道圍巖支護原則，在13032 巷原支護基礎上，提出采用“高強度錨桿+金屬網+W鋼帶+錨索” 聯合支護方案對其圍巖進行一次支護，支護參數見表2。

表2 13052 巷一次支護參數

3 巷道補強支護模擬及參數確定

為了確保13032 巷支護參數科學合理，結合3煤工程地質資料，采用FLAC數值模擬軟件，在對巷道進行一次支護的前提下，對不同錨索密度時巷道圍巖變形情況進行分析，以確定最佳錨桿密度和布置方式，對巷道進行二次補強支護。

3.1 數值模型建立

根據相鄰1303（上）分層工作面和本工作面地質條件、煤巖層力學參數及賦存情況，建立了尺寸為長×寬×高=300 m×100 m×150 m的數值模型，模型四周、底部和上部分別為鉸支、固支和自由邊界，模型上部施加17.5 MPa的均布載荷以等效上覆巖層重力。計算模型采用摩爾- 庫倫準則，13052 巷補強支護模擬方案如下：

方案1：為一次支護，排2 根/ 排錨索，采用矩形布置，間排距為2 000 mm×2 000 mm。

方案2：在原兩排錨索間補打一根錨索，采用“2-1-2-1”布置，排距為1 000 mm，每排2 根錨索時，間距2 000 mm，距幫1 600 mm；每排1 根錨索時，布置在巷道正中。

方案3：在原兩排錨索間補打一排錨索，即每排2 根錨索，采用矩形布置，間排距為2 000 mm×1 000 mm。

方案4：在原兩排錨索間補打一排錨索，補打錨索為每排3 根，即采用“2-3-2-3”布置，排距為1 000 mm，每排2 根錨索時，間距2 000 mm，距幫1 600 mm；每排3 根錨索時，巷道中間1 根，間距1 600 mm，距幫1 000 mm。

方案5：在原巷道支護上補打錨索，構成每排3根錨索，采用矩形布置，巷道中間1 根，間排距為1 600 mm×1 000 mm。

3.2 數值模擬結果分析

回采期間不同補強支護方案時巷道圍巖塑性破壞區隨錨索密度的變化情見圖2。當采用方案1時，巷道頂底板均處于拉伸與剪切破壞，兩幫產生明顯剪切破壞，巷道圍巖破壞基本呈蝶形，巷道兩肩角與兩底角區域破壞顯著。采用支護方案2、方案3和方案4 時，巷道圍巖破壞狀態與方案1 相似，但隨錨索密度增大，巷道圍巖塑性破壞區范圍明顯減小。采用支護方案5 時，巷道圍巖塑性破壞區范圍與方案4 無明顯變化，說明巷道圍巖塑性破壞區范圍隨錨索密度增大呈先減小，后穩定的變化規律，即錨索密度增大顯著增強了對圍巖變形的控制效果，但當錨索密度增大到一定值后，對巷道圍巖塑性破壞區發育的控制效果不再隨錨索密度增大而變化。

圖2 不同支護方案巷道圍巖塑性區分布云圖

綜上所述，并充分考慮回采巷道支護設計的經濟性、合理性、服務年限和受采動影響等多重影響因素下，采用方案4 對13052 巷進行補強支護最為合理。13052 巷補強支護見圖3.

4 補強支護方案及支護效果

4.1 補強支護方案

為了更好的控制圍巖變形，在13052 巷原支護和一次支護基礎上，按照方案4 對其進行二次補強支護，并確保布置的補強支護錨索施加的預緊力≥250 kN，具體支護參數見表3。

表3 13052 巷補強支護參數

項目 材料規格 參數錨索托盤 長×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm 鋼板 布置參數與錨索一致鋼筋托梁 采用Φ20 mm 的鋼筋焊接而成，長×寬=2 500 mm×280 mm錨固劑 MSK2335 型和MSZ2360 型樹脂錨固劑進行加長錨固 采用1 支MSK2335 型和2 支MSZ2360 型錨固劑，錨固長度≥1 870 mm，錨固力≥150 kN

圖3 13052 巷補強支護

4.2 支護效果

為了評估一次支護和二次補強支護對13052巷圍巖的控制效果，在該巷道長200 m的試驗段內設置2 個測站，測站間距80 m，對巷道圍巖表面位移變化情況進行觀測，結果表明：巷道兩幫移近量、底鼓量和頂板下沉量的最大值分別為210.16 mm、80.42 mm和110.25 mm，巷道斷面收斂較小，巷道圍巖控制效果較好，滿足1305（上）分層工作面回采時的復用要求。

5 結語

1）基于13052 巷工程地質條件，對巷道圍巖破壞影響因素進行分析，在巷道原支護基礎上提出采用“高強度錨桿+金屬網+W鋼帶+ 錨索”的聯合支護方案對其進行支護。

2）采用數值模擬方法研究了不同錨索密度時巷道二次補強支護效果，對補強支護時錨索密度和布置方式進行了優化設計，并給出了具體補強支護方案。

3）現場實測結果表明，在原支護基礎上采用一次支護和二次補強支護對13052 巷圍巖變形控制效果顯著，巷道可在下一個工作面生產時安全復用。