大松動圈圍巖巷道變形及支護受力分析

李慧杰

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

1 工程概述

伯方煤礦山西組3#煤層平均深度200m左右，平均煤厚達5.31m，賦存穩定。13230工作面回風道位于3#煤層中，煤層的頂底板巖性構成為：頂板泥巖、直接頂砂質泥巖、底板砂巖。該盤區的圍巖性質為第Ⅳ類的不穩定性質圍巖[1-3]，由于巷道圍巖不穩定，在巷道掘進的過程中，巷道圍巖松動圈擴大，巷道變形量增大，支護難度加大，影響到工作面的采掘接替。

2 松動圈范圍測定

在已掘13230工作面回風道中，使用鉆孔式窺視儀對巷道松動圈的位移范圍進行觀察，觀測結果如圖1所示。在巷道左幫，孔深1500mm范圍內，圍巖破碎現象較為嚴重，松動范圍較大，有裂隙發育現象；在孔深1550mm以外煤體穩定性較好，沒有破碎現象。在巷道頂板位置觀察后，發現孔深1500mm以內范圍巷道圍巖有松動破碎現象，并出現離層；在孔深1550mm以外范圍直至孔底，巷道圍巖整體完好，無破碎松動現象。數據表明，巷道在左幫和頂板處，有較嚴重的圍巖松動現象，松動圈范圍為1500～1550mm，為大松動圈圍巖巷道。

3 支護形式及參數

13230工作面回風巷道設計斷面為4.0m×2.8m矩形巷道，由于該巷道圍巖的不穩定性，如何選擇支護形式是一個難題。通過以往的支護經驗，決定采用錨桿+錨索，輔以金屬網、鋼筋托梁的組合支護[4]。

在頂板上每排施工5根Ф20mm×2200mm的高強度螺紋鋼制錨桿，排間距為900mm×850mm，分別使用型號為CK2335和Z2360樹脂藥卷各一支加強錨固，錨固長度為1000mm。在頂板靠近巷幫位置打設錨桿時，距離不得小于300mm，錨桿打進角度為70°,頂板其他位置錨桿打進角度與頂板垂直。錨索布設為每兩排錨桿布設1根，布設在每兩排錨桿位置正中，保持與兩幫的距離。錨索采用Ф17.8mm×8000mm的高強度錨索，錨固長度1600mm，使用型號為CK2335和Z2360的樹脂藥卷兩支。

圖1 巷道松動范圍實測觀察

巷道兩幫的支護采用Ф16mm×1800mm可回收型脹套錨桿，排間距900mm×850m，每側巷幫錨桿數量不少于3根，使用規格為78mm×2400mm的鋼筋以縱向在錨桿打設處焊接用以托幫，錨桿打設角度垂直于巷幫，在靠近頂板位置打設的錨桿與頂板夾角為20°。金屬網規格為2500mm×1000mm。

金屬網連接采用以6.5mm冷拔鋼筋預緊力拉伸后焊制的規格為4500mm×1000mm、孔距50mm×50mm的菱形金屬網。托梁鋼筋采用14#剛強度鋼筋制成，規格為78mm×3700mm，在錨桿位置以縱向布置2根鋼筋用以托頂，巷道支護如圖2所示。

4 巷道變形及受力分析

4.1 巷道圍巖位移量監測

在巷道掘進期間，使用點位測量儀對巷道圍巖位移量進行測量后發現，圍巖位移量的變化趨勢為劇烈～平緩～穩定。開始時巷道圍巖位移量較大，活動較為劇烈，之后進入平緩期，在這期間巷道圍巖的位移量會慢慢地變小，并隨時間逐漸穩定，最后進入穩定期。在巷道掘進過后，巷道圍巖位移保持基本穩定，位移量大大減小，對巷道掘進和使用無影響。經監測數據分析，巷道圍巖位移進入穩定期需要20d左右。實測數據表明，巷道頂底板的位移量最多為100mm，巷道兩幫圍巖位移量最大為127mm，在試驗巷道掘進100m以后，巷道圍巖的位移基本穩定，圍巖位移影響較大的范圍在距離工作面40m以內。巷道圍巖位移量變化曲線圖如圖3所示。

圖2 巷道錨網索支護平、剖面圖

圖3 巷道圍巖位移量變化曲線

4.2 圍巖位移監測

根據觀測，隨著掘進工作面的不斷推進，巷道圍巖位移量逐漸變大，在巷道右幫5m的圍巖變形量為60mm，巷道左幫5m的圍巖變形量為56mm，頂板圍巖在5m的變形量為40mm。隨著回風巷兩側的工作面逐步推進，回風巷圍巖深部的位移量變化曲線開始逐漸變大，根據點位測量儀所測數據來看，在工作面推進的40m范圍內，回風巷圍巖位移量的增加較為迅速，在超過40m范圍之后的位移量逐漸變小，工作面推進超過100m后，巷道圍巖的位移量逐漸平緩，最后趨于穩定，影響范圍較大段在工作面推進至40m范圍內。表1為掘進工作面回風巷深部圍巖位移量數據統計。

4.3 錨桿和錨索受力監測

在巷道掘進過程中，為嚴格控制巷道支護質量，在巷道錨桿和錨索布設后，使用測力錨桿對打設錨桿和錨索的受力變化進行測量。該回風巷道的左右兩側均為工作面實體煤墻，在錨桿預緊力施加完成之后，工作面的推進對錨桿受力產生影響，在距離工作面0～40m時，錨桿的受力速度加快，在距離100m以后，受力逐漸穩定。錨索的受力變化較之錨桿更為明顯，在距離工作面90m范圍以外，錨索受力逐漸穩定。監測數據所示，在錨桿受力穩定后，錨桿的設計錨固力為107kN，巷道左幫布設錨桿的錨固力約為60kN，巷道右幫布設錨桿的錨固力約為53kN，符合支護設計標準。錨索的設計錨固力是200kN，實際錨索的受力在160kN左右，約為支護設計的79.5%。對掘進工作面回風巷道的圍巖變形控制效果突出。圖4為錨桿和錨索的受力變化曲線。

表1 掘進工作面回風巷深部圍巖位移量

5 結論

（1）巷道在左幫和頂板處有較嚴重的圍巖松動現象，松動圈范圍為1500～1550mm，屬大松動圈圍巖巷道。

（2）13230工作面回風巷采取錨桿（索）+金屬網+鋼筋托梁的組合支護后，巷道頂底板最大位移量為100mm，巷道兩幫圍巖最大位移量為127mm，圍巖位移影響較大的范圍在距離工作面40m以內。巷道左幫布設錨桿的錨固力約為60kN，巷道右幫布設錨桿的錨固力約為53kN，錨索的受力在160kN左右，滿足設計要求，巷道圍巖變形得到控制。

圖4 錨桿和錨索的受力量變化曲線圖