15201 運輸順槽圍巖控制技術研究與應用

焦炎斌

（山西高平科興游仙山煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

山西高平科興游仙山煤業有限公司15201 工作面位于二采區，工作面開采15#煤層，煤層厚度3.40～4.90 m，平均3.97 m，屬全區穩定可采煤層，煤層節理裂隙發育。煤層頂板為K2 灰巖，底板為黑色泥巖或細粒砂巖。15201 回風順槽沿煤層底板掘進，掘進高度×寬度=3.4 m×4.2 m，巷道為全煤巷道。由于煤層節理裂隙發育，為保障15201 回風順槽圍巖的穩定，進行圍巖穩定性的分類及回風順槽圍巖控制技術的研究。

2 圍巖穩定性及支護參數設計

2.1 圍巖穩定性分類

回采巷道圍巖穩定性受多種因素的影響，主要包括頂板巖層、煤層及底板巖層的單軸抗壓強度，巷道埋深、采動影響系數、圍巖完整性等因素。在進行圍巖穩定性劃分時，圍巖完整性指數是指圍巖節理、裂隙和層理的影響程度，一般可利用直接頂初次垮落步距代替[1-3]。

15#煤層頂板為K2 灰巖，平均厚5.39 m，平均抗壓強度為43.1 MPa，平均抗拉強度為4.89 MPa，平均抗剪強度為7.30 MPa，巖石堅硬程度屬中硬～堅硬巖。底板鋁土質泥巖，平均厚度5.00 m，平均抗壓強度21.65 MPa，平均抗拉強度1.22 MPa，平均抗剪強度1.82 MPa，巖石堅硬程度屬極軟弱巖～中硬巖[4]。15#煤層頂、底板為穩定性較好類頂底板。

根據煤礦錨桿支護技術規范，錨桿支護基本形式為：端錨桿體直徑＞16 mm，桿體長度1.6～2.0 m，間排距0.8～1.2 m，設計錨固力64～80 kN[5-6]。

2.2 錨桿支護參數設計

根據15201 工作面的地質條件，結合15201 運輸順槽圍巖穩定性的分類結果，為確定合理的支護參數，采用FLAC3D數值模擬軟件進行支護參數的分析。數值模型長×寬×高=190 m×100 m×85 m。模型的四個側面為位移邊界，限制水平移動；底部為固定邊界，限制水平移動和垂直移動；模型頂部施加垂直應力的等效荷載。結合礦井回采巷道的支護經驗，為合理設計錨桿支護參數，設計四種支護方案進行對比分析，具體模擬方案見表1。

表1 數值模擬方案表

根據數值模擬結果，具體對巷道在不同支護方案下的塑性區分布、垂直應力分布及圍巖變形量進行分析。

（1）塑性區分布。巷道在四種支護方案下塑性區分布如圖1。

圖1 四種支護方案下圍巖塑性區發育特征

分析圖1 可知，四種支護方案下，巷道兩幫及底板塑性區的發育特征基本相同，方案四頂板塑性區發育范圍最小。巷道圍巖頂板支護中，錨桿均錨固在完整巖層內，塑性區為發展至頂板錨桿錨固區。

（2）垂直應力。巷道在四種支護方案下圍巖垂直應力分布如圖2。

由圖2 可知，巷道在四種不同支護方案下，巷道垂直應力在頂板和底板范圍內呈拱形分布，頂板和底板出現一定范圍垂直應力低于原巖應力的卸壓拱，巷道兩幫1.8～2.4 m 范圍和底角處垂直應力最大，從方案一到方案四兩幫垂直應力的最大值分別為8.95 MPa、9.11 MPa、9.12 MPa 和8.94 MPa。且從圖中能夠看出在采用方案四時，頂板錨桿支護基本均處于卸壓拱內，能提升錨桿支護對圍巖控制的效果。

圖2 四種支護方案下圍巖垂直應力分布云圖

（3）圍巖變形量。基于數值模擬結果得出巷道在不同參數錨桿支護時圍巖變形數據，見表2。

表2 四種支護方案下圍巖變形量

通過對比分析不同支護方案下的巷道掘進期間圍巖變形量數據可知，巷道圍巖變形量隨著頂板支護強度的增大而逐漸減小。其中：巷道在采用方案四時，頂底板及兩幫變形量最小，采用方案二和方案三時，圍巖變形量相對較大。據此可知，改進方案四對巷道位移控制作用最為明顯。方案一巷道圍巖基本得到穩定控制，方案二與方案一支護效果較為接近，而方案三巷道圍巖位移較大，尤其是兩幫的收縮量較其他方案大幅增加。

綜合上述數值模擬分析可知，巷道頂板最外側兩根錨桿又向外傾斜20°，形成了“斜錨桿”，可降低巷道肩部圍巖的破壞，增強巷道錨固圈整體的穩定性。建議巷道頂板采用Ф20 mm×2000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1200 mm×1000 mm，兩幫用Ф20 mm×2400 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距變為1200 mm×1000 mm，其他支護方案不變，但須視頂板圍巖變化在必要時加長錨桿長度，或補打錨索支護。

3 圍巖控制技術

3.1 圍巖支護方案

根據15201 運輸順槽的地質條件，結合圍巖穩定性的分類結果及錨桿支護參數的分析結果，設計巷道采用錨網索支護方案，具體支護參數如下：

（1）頂板支護。頂板錨桿采用高強度螺紋鋼（20MnSi），型號為Ф20 mm×2000 mm，間排距為1000 mm×1200 mm，錨桿錨固長度為1140 mm，預緊力為300 N·m，錨桿托盤采用120 mm×10 mm圓托盤，靠近兩幫的頂板錨桿向兩幫傾斜20°布置，其余錨桿均垂直于頂板布置。頂板錨索采用1×7 股鋼絞線，型號為Ф17.8 mm×6300 mm，間排距為2200 mm×2400 mm，錨索錨固長度為2280 mm，錨索采用三花2+1 布置，錨索預緊力為100 kN，錨索托盤選用300 mm×300 mm×16 mm 高強度托盤，采用Ф6.0 mm 的鋼筋焊接而成的矩形鋼筋網進行護頂。

（2）兩幫支護。實體煤幫錨桿采用高強度螺紋鋼（20MnSi），規格為Ф20 mm×2400 mm。工作面煤幫錨桿采用玻璃鋼錨桿（MGSL-20），規格為Ф20 mm×2400 mm，間排距均為1000 mm×1200 mm，錨固長度均為450 mm。靠近頂板和底板的幫錨桿向頂板和底板傾斜20°，其余錨桿均垂直于巷幫布置，幫錨桿預緊扭矩為150 N·m，同樣采用Ф6.0 mm 的鋼筋網進行護幫。

具體巷道支護方案如圖3。

圖3 開切眼圍巖移近曲線圖

圖3 15201 運輸順槽支護方式布置示意圖

3.2 效果分析

15201 運輸順槽掘進期間采用十字布點法進行圍巖變形監測，圍巖變形監測點布置在巷道迎頭，隨著巷道掘進持續進行數據測量記錄，最終匯總數據繪制出圍巖變形隨時間的變化曲線如圖4。

圖4 掘巷期間圍巖變形曲線圖

分析圖4 可知，15201 運輸順槽掘進期間圍巖變形主要出現在巷道掘出0～40 d 內，當掘出時間大于40 d 后，頂底板及兩幫變形量均大幅降低，圍巖逐漸趨于穩定，當巷道掘出50 d 后，圍巖基本不再出現變化。最終頂底板及兩幫變形量的最大值分別為52 mm 和85 mm，表明巷道在該支護方案下圍巖處于穩定狀態。

4 結論

根據15201 運輸順槽的地質條件，基于巷道頂板屬較好類頂板的特征，結合數值模擬結果，確定錨桿的支護參數，結合巷道具體特征，進行錨網索支護方案的設計。根據巷道掘進期間的圍巖變形監測結果可知，巷道圍巖在該種支護方案下圍巖處于穩定狀態。