淺埋煤層回采巷道圍巖變形與控制技術研究

李成章

（鄂爾多斯市盛鑫煤業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

淺埋煤層高效安全開采一直是采礦行業面臨的主要技術問題，巷道安全可靠作為生產系統必不可少的一部分，支護合理性與煤礦高效開采直接相關[1-4]。

對于淺埋煤層巷道破壞機理及其圍巖控制，專家學者開展了大量研究。張志勇等針對淺埋煤層巷道支護成本高、強度大的問題，借助模擬軟件對其所提出的3 種支護方案進行了數值分析[5]；陳長華等結合現場實測與數值模擬2 種研究方法，探討了淺埋回采巷道不同位置處錨桿應力演化規律[6]；樊克恭等應用聯合支護理論，開展了對淺埋巷道圍巖的破壞特征及破壞機理研究，并提出了合理的支護優化技術[7]；呂坤等針對淺埋煤層弱黏結頂板巷道支護難題，模擬研究了不同主應力偏轉方向下的弱黏結頂板巷道圍巖塑性區的分布特征[8]；徐寧輝針對淺埋煤層破碎圍巖回采巷道支護參數優化問題，提出了合理的巷內支護技術[9]。

上述成果對豐富淺埋煤層巷道支護研究具有重大意義，以上述研究為基礎，本文以盛鑫煤礦51204 回風順槽為工程背景，研究分析其變形破壞機理與控制對策，提出采用“螺紋鋼錨桿＋鋼筋梯子梁＋錨索+高強混凝土鋪底”的聯合支護技術，并進行巷道表面位移監測。

1 工程概況

盛鑫礦51204 回風順槽埋深在100 m 左右，走向長1655.8 m，巷道寬4.5 m，巷道凈高3 m。51204 掘進工作面區域北部為規劃的51201 工作面，南部為51203 工作面，西部以井田邊界為界，東部為5-1 煤二盤區輔運大巷，上部為42101 工作面采空區。煤層平均厚度為3.53 m，煤層傾角0 ～7°，煤層結構簡單，一般為單一煤層。工作面巖層柱狀圖如圖1 所示。

圖1 工作面煤巖層柱狀圖Fig.1 Column diagram of coal and rock strata in working face

2 數值模型建立及結果分析

2.1 模型的建立

根據盛鑫礦51204 回風順槽工程地質條件，建立如圖2 所示的數值計算模型，（x×y×z=140 m×100 m×90 m），工作面與巷道沿y 軸開挖。側壓系數取1.2，煤巖體破壞關系符合摩爾- 庫侖模型。模擬51204 回風順槽圍巖垂直應力、位移及塑性破壞響應特征。

圖2 數值計算模型Fig.2 Numerical calculation model

2.2 模擬結果分析

巷道開挖后，圍巖塑性區、應力及位移分布情況如圖3 所示。

圖3 數值模擬結果Fig.3 Numerical simulation results

由圖3 可知，巷道開挖后，巷道頂底板處于大范圍的應力低值區，而巷道兩幫出現應力集中現象，應力集中系數約為1.3。

開挖順槽巷道后，兩幫塑性區深度小于巷道頂底板，兩幫塑性區深度控制在1 m 以內，頂板塑性區寬度為4 m，底板塑性區深度約為1 m。巷幫最大位移量為22.8 mm，巷道頂板最大位移量為42.6 mm，頂板位移量遠大于巷幫位移量，與塑性區結果相符。

3 巷道圍巖控制對策

（1） 頂板錨桿索形成高強錨固承載結構。由數值分析可知，頂板塑性破壞程度以及圍巖變形量大于巷道兩幫，因此頂板須在淺部圍巖施加錨桿的基礎上再施打高強長錨索，以期實現在頂板中形成錨桿索復合錨固承載。

（2） 巷道底板混凝土噴漿鋪底。巷道底板表面噴漿鋪底，可以顯著改善巷道底板近表圍巖應力狀態，有效限制圍巖塑性區的發展，對于抑制底鼓具有良好作用，有利于巷道保持穩定。

4 支護方案設計及位移監測

4.1 支護方案設計

基于以上分析，確定51204 回風順槽采用“螺紋鋼錨桿＋鋼筋梯子梁＋錨索+高強混凝土鋪底”的聯合支護方式，如圖4 所示。

圖4 支護方案Fig.4 Support scheme diagram

頂錨桿為MSGLW-335/φ20×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm（每排6根），使用1 根CK2370 的錨固劑錨固，錨固力不小于80 kN。頂錨桿托盤為鋼質碟形托盤，長×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm。頂梯子梁為φ12 mm 的2 根鋼筋平行焊接而成。頂網為12 號鐵絲制作的菱形網，長×寬=4500 mm×1000 mm，網孔50 mm×50 mm。

頂錨索為SKP18-1/1860，φ17.8 mm×6200 mm 鋼絞線錨索，在巷道中間布置，間排距為2400 mm×2400 mm（每排2 根），錨索安裝后1 h張拉到設計預緊力（120 kN）。巷道掘進時對巷道頂部出現的裂隙及破碎處采用錨索配合W 鋼帶加強支護。W 型鋼帶為Q235 材質的WX180/3.0 型W鋼帶。

幫錨桿為MSGM-235/φ18 mm×1000 mm（A3圓鋼錨桿），錨桿間排距1000 mm×1100 mm，使用1 根CK2335 的錨固劑錨固，錨固力不小于50 kN。底板硬化采用C30 混凝土鋪底，厚度為200 mm。

4.2 位移監測

51204 回風順槽開挖后，持續性地對掘進開挖后的順槽巷道圍巖收斂量進行監測，結果如圖5所示。

圖5 現場觀測結果Fig.5 Field observation results

28 d 后圍巖收斂量趨于穩定，巷道頂板、底板、左幫及右幫圍巖最大變形量分別為38、27、18、21 mm，變形量較小，處于可控范圍內，實現了對51204 回風順槽圍巖的有效控制。

5 結論

（1） 數值結果表明，開挖順槽巷道后，兩幫塑性區深度小于巷道頂底板，兩幫塑性區深度控制在1 m 以內，頂板塑性區寬度為4 m。巷幫最大位移量為22.8 mm，巷道頂板最大位移量為42.6 mm，頂板位移量遠大于巷幫位移量。

（2） 基于數值模擬結果，確定了51204 回風順槽圍巖控制原則，并提出采用“螺紋鋼錨桿＋鋼筋梯子梁＋錨索+高強混凝土鋪底”的聯合支護方式。

（3） 現場應用結果顯示，采用聯合支護技術后，28 d 后圍巖收斂量趨于穩定，巷道頂板、底板、左幫及右幫圍巖最大變形量分別為38、27、18、21 mm，變形量處于可控范圍內，實現了對51204 回風順槽圍巖的有效控制。