松散巖層回采巷道圍巖控制及支護(hù)技術(shù)研究

魏少華

（同煤集團(tuán)晉華宮煤礦，山西 大同 037000）

山西晉煤集團(tuán)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(xù)時間長等特點，在地應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力及采動影響作用下，目前可以提供的支護(hù)手段無法完全阻止松散巖層巷道發(fā)生變形，巷道的支護(hù)與維護(hù)問題非常突出。受1301工作面回采動壓影響，1303膠帶運(yùn)輸順槽（區(qū)段煤柱為40m）圍巖變形嚴(yán)重，且呈持續(xù)變形狀態(tài)，巷幫最大變形量達(dá)到1200mm，頂板下沉量最大為500mm，底板最大鼓起500mm。采用錨索補(bǔ)強(qiáng)和架棚支護(hù)對變形區(qū)域進(jìn)行了多次返修，一定程度上減緩了膠帶運(yùn)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(xù)生產(chǎn)，迫切需要對松散巖層回采巷道的圍巖變形規(guī)律和破壞特征進(jìn)行分析，確定合理的圍巖控制技術(shù)以及支護(hù)參數(shù)，有效控制巷道圍巖變形破壞。

1 工程地質(zhì)概況

胡底煤礦井田煤層埋深較大，井田內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造以褶曲為主，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，現(xiàn)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(qū)穩(wěn)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(jié)構(gòu)簡單，無夾矸，分兩層開采。

回采巷道沿3#煤頂板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，其規(guī)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(wǎng)+W型鋼帶+錨索”組合支護(hù)方式。

2 巷道圍巖破壞機(jī)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(chǎn)生的拉應(yīng)力就越大，越容易發(fā)生變形，如果支護(hù)不及時或者支護(hù)強(qiáng)度不夠，就會產(chǎn)生冒頂現(xiàn)象。同時巷道為矩形斷面，巷道頂?shù)装宓闹胁渴艿嚼瓚?yīng)力作用，最大拉應(yīng)力處于頂?shù)装暹吘壧帲锏纼蓭蛪簯?yīng)力比較集中，最大值處于兩幫周邊，應(yīng)力集中于巷道的四個角上，且受力狀態(tài)非常差，對巷道穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，增加了支護(hù)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(shù)是塑性圍巖，且不是完整整體，圍巖強(qiáng)度低，不利于巷道穩(wěn)定。

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

3 巷道支護(hù)模擬及設(shè)計方案

3.1 數(shù)值模型

為了使3#煤層回采巷道支護(hù)參數(shù)更加科學(xué)合理，結(jié)合回采巷道實際地質(zhì)條件及理論分析的基礎(chǔ)上，借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對頂板錨桿長度、錨索長度和密度等重要參數(shù)進(jìn)行模擬計算，以優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。模擬對象為胡底煤礦13052巷，巷道沿3#煤層頂板掘進(jìn)，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(jié)果分析

不同支護(hù)方案巷道圍巖塑性破壞區(qū)隨錨索數(shù)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(hù)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性與合理性，以及回采巷道的服務(wù)年限和受采動影響情況，采用方案4作為13052巷支護(hù)設(shè)計方案。

表1 不同支護(hù)方案巷道圍巖塑性破壞區(qū)范圍

表2 錨索密度不同時巷道圍巖變形量

圖1 不同支護(hù)方案與圍巖塑性破壞區(qū)的關(guān)系

圖2 錨索密度與巷道圍巖變形的關(guān)系

3.2 巷道支護(hù)設(shè)計

根據(jù)錨桿-錨索協(xié)調(diào)支護(hù)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(wù)時間長、巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重等因素，采用高強(qiáng)度錨桿+錨索支護(hù)方案。

（1）巷道頂板支護(hù)

采用Ф22mm×7300mm高強(qiáng)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(qiáng)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(shè)角度與垂直線成10°角，其余與頂板垂直。

采用W鋼帶護(hù)頂，鋼帶厚度4mm，寬度280mm，長度4.9m。

（2）巷道兩幫支護(hù)

采用Ф22mm×2400mm高強(qiáng)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(shè)角度與水平成向上10°角，底錨桿距底板0.7m，安設(shè)角度與水平成向下10°角，其余與巷幫垂直。

巷道支護(hù)設(shè)計如圖3所示。

圖3 13052巷支護(hù)設(shè)計圖

4 結(jié) 語

胡底煤礦松散巖層13052回采巷道采用“高強(qiáng)度錨桿+錨索”聯(lián)合支護(hù)方案，圍巖控制效果好，能有效減少巷道的維護(hù)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(hù)的可靠性和工程質(zhì)量，實現(xiàn)了安全、經(jīng)濟(jì)、高效的目標(biāo)。