榆家梁煤礦軟弱復合頂板巷道支護技術研究與應用

王新國

（神東煤炭集團榆家梁煤礦 陜西 榆林 719316）

0 引言

煤礦巷道頂板通常具有典型的軟弱復合頂板特征[1-2]，頂板極易發生離層和垮落，且巷道圍巖變形較大，支護較為困難[3]，冒頂事故時有發生，嚴重制約著煤礦安全高效生產。隨著巷道支護技術的不斷發展，許多專家學者在軟弱復合頂板支護技術方面進行了廣泛研究[4]，本文基于以上研究成果，針對榆家梁煤礦93210膠運順槽軟弱復合頂板的工程特點，提出“內+外層錨桿”聯合支護方案，并通過現場實踐驗證該聯合支護形式的可行性，此研究結果可為類似工程地質條件下的軟弱復合頂板支護技術提供借鑒與參考。

1 工程概況

榆家梁煤礦目前主采煤層為3-1#煤，煤層埋深約120 m，煤層厚度為3.28 m~3.60 m，平均厚度3.40 m，平均傾角1°，煤體普氏系數f約為1.2，煤層賦存穩定、起伏小，為全區可采煤層。煤層直接頂為厚4.0 m～6.31m的泥巖，普氏系數f約為1.98；老頂為厚4.92 m～11.70 m的粉砂巖，直接底為厚0 m～0.56 m的泥巖，老底為厚0.30 m～1.86 m的細砂巖。93210工作面位于二盤區東南部，工作面北為93208工作面采空區，南為實體煤區，東為二盤區三條大巷，西為邊界煤柱，工作面布置如圖1所示。

圖1 93210工作面平面布置圖

2 巷道原支護方案及存在的問題

2.1 巷道原支護方案

93210膠運順槽沿3-1#煤底板掘進，設計長度2 290.18 m，主要用于工作面煤炭運輸和進風。巷道斷面形狀為矩形，設計斷面尺寸為5 400×2 800 mm（寬×高）。93210膠運順槽采用“錨桿＋錨索＋鋼帶”支護，支護參數如下：

（1）頂板支護

巷道頂板采用?16×2 100 mm螺紋錨桿，錨桿間排距為1 100 mm×1 000 mm，每排5根，錨索采用?15.24×6 500 mm樹脂錨索，鋼托盤規格為300×300×12 mm，間排距為2 500×3 000 mm，每排2根。兩巷之間的聯巷錨桿間排距為1 100×1 000 mm，每排5根。

（2）兩幫支護

巷道兩幫錨桿規格為?16×2 100 mm，材質為A3圓鋼，M16螺母，端頭錨固，錨桿間排距為900×800 mm，每根幫錨桿配套使用CK?23×500 mm，1卷/眼，托盤采用150×150×10 mm正方形碗狀鋼托盤。

2.2 存在的問題

93210膠運順槽為托頂煤跟底掘進巷道，巷道頂板為是由砂巖以及泥巖分布組成，直接頂為軟弱泥巖層，其為軟弱復合頂板。由于泥巖和砂巖不同的各巖層性質，使在巷道掘進后應力作用下，不同巖層間發生離層現象，致軟弱復合頂板發生整體的離層失穩破壞。

對93210膠運順槽的現場調研發現，由于現支護設計方案僅對巷道頂板進行錨索支護，巷道兩幫采用錨桿支護，支護參數較弱，導致巷道頂板、兩幫發生不同程度的變形，嚴重影響著工作面安全生產。為此，基于巷道支護理論確定合理的支護參數非常必要。

3 優化支護方案設計及數值模擬分析

3.1 優化支護方案

內層錨桿可以將圍巖淺部的巖體重新積密形成穩定的錨固體，具有高承載力的長錨桿可以作用于深部的巖層中，二者相互作用，共同維護巷道圍巖的穩定。

93210膠運順槽巷道采用內+外層錨桿組合的支護方案，在巷道的頂板內層錨桿采用長2.5 m的MS?GLW-500/22左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為600×600 mm，巷道兩幫采用長2.5 m的MSGLD-500/20左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800×800 mm，每根錨桿配用兩卷MSK2360的樹脂錨固劑；外層錨桿采用長6.5 m的MSGLW-500/22自進式注漿長錨桿，錨桿間距排距為800×600 mm，每根錨桿配用三卷CK2360的樹脂錨固劑，靠近巷幫的錨桿在安裝時與垂線約20°，其余與頂板垂直布置；錨桿打設完成后在巷道頂板、兩幫表面噴射厚度為240 mm的混凝土，優化支護方案見圖2。

圖2 優化支護方案布置圖

3.2 數值模擬分析

運用FLAC3D軟件對93210膠運順槽巷道支護方案進行數值模擬，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。

模型尺寸為50×2×18 m（長×寬×高），共劃分為41 350個單元和61 095個節點，重力加速度為9.8 m/s,模型采用大變形計算模式。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。

圖3 三維數值模型

3.3 頂板變形監測

兩支護方案下93210膠運順槽頂板變形監測曲線如圖4所示，由圖可看出，采用優化支護方案后，巷道頂板最大沉降值約為15.2 mm，最大沉降值比原支護方案減小了約46%，說明優化支護方案可有效控制軟弱復合頂板的穩定性。

圖4 巷道垂直位移分布云圖

4 應用效果分析

在93210膠運順槽巷道內采用優化支護方案并布置JSS30A數顯收斂計監測巷道圍巖的變形，根據所得監測數據的平均值繪制原支護方案與優化支護方案的圍巖變形速率和變形量曲線圖，如圖5所示。

圖5 巷道圍巖變形量曲線圖

由圖6可以看出，采用優化支護方案后巷道穩定后頂板最大變形量約為19.0 mm，兩幫最大變形量為5.7 mm，相比于原支護方案巷道頂板兩幫最大變形量減小了約59.6%、54.8%，表明巷道圍巖變形得到了有效的控制。

5 結語

以榆家梁煤礦93210膠運順槽巷道為工程背景，對軟弱復合頂板巷道支護技術展開研究，主要得到如下結論：

（1）對軟弱復合頂板巷道原支護參數進行優化設計，并通過數值模擬確定了支護參數的可行性。

（2）采用優化支護方案后，巷道頂板、兩幫最大變形量相比于原支護方案下變形量減少約59.6%、54.8%，變形量并趨于穩定，巷道圍巖得到了有效控制，說明該方案可滿足軟弱復合頂板巷道支護的要求，支護效果良好，驗證了方案的合理性。