深部松軟破碎頂板回采巷道圍巖控制及支護技術研究

周曉路 朱貴禎

（內蒙古準格爾旗特弘煤炭有限公司官板烏素煤礦，內蒙古 準格爾旗 010300）

目前我國煤礦開采逐步向深部進軍，由于深部地層構造力較大、頂板松軟破碎導致巷道圍巖變形較大，支護較為困難[1-3]。隨著巷道支護技術的不斷發展，許多專家學者對松軟破碎頂板回采巷道進行了廣泛研究[4-9]。本文以官板烏素煤礦121101工作面為研究背景，開展了深部松軟破碎頂板回采巷道圍巖控制及支護技術的研究，可為類似工程地質條件下巷道支護提供借鑒與參考。

1 工程概況

官板烏素煤礦設計年生產能力1.5 Mt，目前主要開采深部16#煤層，煤層的平均厚度大約6.3 m，煤層的埋深大約為600 m。在121101工作面掘進到650 m時工作面頂板巖層變得松軟破碎，直接頂為砂質泥巖，頂板裂隙較為發育，巷道開挖后發生頂板嚴重下沉、兩幫變形不協調等問題。

121101工作面回采巷道斷面尺寸為4 m×5 m，采用錨網噴+錨索聯合支護。巷道頂板布設6根長為1.7 m的錨桿，錨桿間排距為0.8 m×0.8 m，錨桿的預緊力為25 kN；頂板布設3根長為7.4 m的錨索，錨索間排距為1.6 m×1.6 m，錨索的預緊力為120 kN，使用CK2360樹脂藥卷；底板澆筑厚度為0.1 m的混凝土進行封層。通過對121101工作面回采巷道的現場調研發現，巷道兩幫變形較大，嚴重影響了巷道施工進度。巷道原支護布置如圖1。

圖1 巷道原支護布置圖

在121101工作面選取兩個測點，采用水力壓裂SYY-56地應力測量儀進行地應力測試，結果見表1。

表1 地應力測量數據

可以看出垂直應力小于最大水平主應力，由判斷標準，地應力并非導致巷道圍巖變形的主要原因。

通過現場勘查，工作面頂板巖層間賦有密度較大、較為發育的方解石巖脈，這些方解石巖脈破壞了頂板巖層的整體性，所以頂板破碎、松軟是導致巷道圍巖發生嚴重變形的主要原因。

2 支護方案優化設計

內層錨桿：巷道的頂底板采用MSGLW-500/22×2400的樹脂錨桿,巷道兩幫采用MSGLD-500/20×2400的樹脂錨桿，托盤采用150 mm×150 mm×10 mm的正方形碗狀鋼托盤（頂板采用T型鋼帶和鋼帶托盤）。巷道頂板的錨桿間排距為0.6 m×0.6 m，巷道兩幫的錨桿間排距為0.8 m×0.6 m。錨固劑：頂板錨桿每孔使用MSCKb2360型和MSCKb2370型錨固劑各1卷，兩幫錨桿每孔使用MSCKb2370型錨固劑1卷。

外層錨桿：采用MSGLW-500/22×6500自進式注漿長錨桿，錨桿間排距為0.8 m×0.6 m，每孔配用2卷MSCKb2360的錨固劑、1卷MSCKb2370的錨固劑，托盤采用Q345B材質、抗拉強度380 MPa及以上的碳素結構鋼板加工而成的蝶形托盤，規格300 mm×300 mm×1 6mm，預緊力不小于150 kN，錨固力不小于180 kN，表面噴射總厚240 mm混凝土噴層，深淺分區注漿通過長短注漿錨桿對圍巖進行加固。巷道優化支護方案布置如圖2。

圖2 巷道優化支護方案圖

3 數值模擬

運用FLAC3D軟件對121101工作面回采巷道開挖進行數值模擬，對比分析原支護方案與優化支護技術方案下巷道開挖后圍巖的變形。

所建模型的邊界條件為：模型的左、右以及上端面設置為應力邊界條件，在模型的上頂面施加等同于巷道的實際埋深的應力載荷，模型前、后端面以及底面設置為位移邊界。模型總共劃分為58 956個單元、81 042個節點。在模型的計算過程中錨桿錨索衰減參數與塑性變形關系見表2。

表2 錨桿索衰減參數與塑性變形關系

不同支護方案下巷道開挖后圍巖位移分布云圖如圖3所示。通過對比二者的位移云圖可看出，采用新支護技術方案后，巷道頂板最大沉降值約為15 mm，和原支護方案相比，最大沉降值減小了約46%；巷道底板最大隆起值約為11 mm，和原支護方案相比，最大隆起值減小了約39%。說明新支護技術方案更能有效控制松軟破碎圍巖的穩定性。

圖3 巷道垂直位移分布云圖

原支護方案與新支護技術方案下巷道開挖后圍巖塑性區分布云圖如圖4所示。通過對比可以看出，采用新支護技術方案后，巷道圍巖的塑性區范圍大約為3.2 m，相比原支護方案減小了約58.3%。這是由于新支護技術方案的高強度錨桿發揮出了錨固體的承載能力，控制了巷道圍巖塑性區的發展。

4 現場應用及監測

在121101工作面回采巷道頂底板及兩幫布設表面位移測站進行現場監控量測，巷道圍巖表層位移變形量監測結果如圖5。由曲線圖可以看出，巷道穩定后，圍巖收斂速率降低為1.2 mm/d，頂板最大變形量為30 mm，兩幫最大變形量約為34 mm，底板最大變形量為14 mm，總體變形量較小。巷道噴層結構未發生開裂、掉塊現象，表明變形得到有效控制。

圖5 巷道圍巖變形量曲線圖

5 結論

（1）對松軟破碎圍巖的原支護方案和優化支護方案的數值模擬，確定了新支護技術的可行性。

（2）采用新支護技術后，巷道圍巖的整體變形量明顯減小。同時根據現場監測結果顯示，采用新支護技術后，圍巖離層量大幅減小，實現了對松軟破碎圍巖的有效控制，驗證了新支護技術的合理性。