盛鑫礦回采巷道圍巖變形特征及支護技術研究

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

回采巷道的掘進與支護是礦山建設過程中量大、面廣的工程[1]，巷道的穩定性狀況取決于圍巖的地質力學條件、采掘技術條件以及支護條件等[2]。長期以來，回采巷道支護技術一直是專家學者致力解決的頑疾難題，其目的是為了保證巷道的正常使用，實現工作面安全回采[3-5]。

郭偉針對高應力回采巷道底鼓治理難題，依據回采巷道賦存地質條件，研究了巷道底鼓治理技術并用于工程實踐[6]；高鳳偉針對回采巷道軟巖復合頂板、斷面大、地應力高以及回采期間巷道劇烈變形等控制難點，提出了全斷面高預緊力高強錨索支護技術[7]；董超偉等研究了分叉煤層下分層回采巷道的合理布置方式，分析了5 類回采巷道布置的圍巖變形特征[8]；張艷麗等對重復采動條件下急傾斜煤層回采巷道變形破壞特征進行了分析研究[9]；曹光明等探究了巨厚礫巖下回采巷道沖擊破壞機理，分析了回采巷道圍巖區域主應力場分布特征[10]。

以上述研究為基礎，本文以盛鑫煤礦42201運輸順槽為工程背景，采用FLAC3D 數值分析軟件，探究其巷道圍巖塑性區分布及應力相應特征，進而針對性地提出“菱形金屬網+ 螺紋鋼錨桿＋鋼筋梯子梁＋錨索”的聯合支護技術，并進行現場礦壓監測。

1 工程概況

盛鑫礦42201 運輸順槽埋深約100 m，用于42201 工作面回采，巷道寬4.5 m，高2.6 m。42201運輸順槽北部為42201 回采工作面，南部為42104工作面采空區，西部以井田邊界為界，東部為4-2中煤二盤區輔運大巷。順槽所在煤層平均厚度為2.45 m，煤層傾角0～3°，為近水平煤層。煤層結構簡單，一般為單一煤層，局部含一層夾矸。巷道巖層柱狀圖如圖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 巷道圍巖變形規律

2.1 模型建立

采用FLAC3D 建立42201 運輸順槽數值模型（長×寬×高=160 m×100 m×70 m），模型采用Mohr-Coulomb 準則，巷道寬度4.5 m，高度2.6 m。底部和前后左右固定相應方向位移，頂部施加上覆巖層壓力，X、Y 方向的側壓系數均取1.2。數值模型如圖2 所示。

圖2 42201 運輸順槽數值模型Fig.242201 numerical model of transport corridor

2.2 模擬結果及分析

數值模擬結果如圖3 所示。

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

根據圖3 模擬結果分析，盛鑫礦42201 運輸順槽開挖后，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1.2。

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，頂板塑性區寬度最大，為3.5 m，底板塑性區深度約為1 m。可見，在施打錨桿時，巷道兩幫錨桿長度為1 m 時即可錨固到巷幫的彈性區，為錨桿提供牢靠錨固基點；頂板須在淺部施加2.4 m 短錨桿的基礎上，對頂板圍巖施打長錨索，以期實現對巷道頂板的有效錨固。

3 支護方案設計及位移監測

3.1 支護方案設計

基于數值模擬結果，確定42201 運輸順槽支護采用“菱形金屬網＋鋼筋梯子梁＋錨桿＋錨索+混凝土鋪底”的綜合方式。

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，錨桿安裝后扭矩不小于100 N·m。頂梯子梁為φ12 mm 的兩根鋼筋平行焊接而成，長×寬=4500 mm×70 mm。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×8200 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），使用2 根CK2370 的錨固劑進行錨固。

巷幫遇構造或兩幫破碎時采用φ18 mm×1000 mm 圓鋼錨桿，配合長×寬=2500 mm×1200 mm 金屬網支護。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。幫網為14 號鐵絲制作的菱形網，長×寬=2.5 m×1.2 m，網孔50 mm×50 mm。

底板硬化采用C30 混凝土澆筑，水泥∶砂子∶石子=1∶2∶3，澆筑厚度為100 mm。

支護方案如圖4 所示。

圖4 支護方案設計Fig.4 Support scheme design

3.2 巷道表面位移監測

掘進后巷道變形監測如圖5 所示。

圖5 巷道開挖后圍巖位移量監測結果Fig.5 Monitoring results of surrounding rock displacement after roadway excavation

30 d 后巷道變形較為穩定，巷道頂板、巷道左幫、巷道右幫及底板最大變形量分別為33、18、14、22 mm，實現了對42201 運輸順槽的有效支護。

4 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，頂板塑性區寬度最大，為3.5 m，底板塑性區深度約為1 m。

（2） 基于數值模擬結果，提出采用“菱形金屬網＋鋼筋梯子梁＋錨桿＋錨索+混凝土鋪底”的聯合支護技術。

（3） 現場應用結果顯示，采用聯合支護技術后，頂底板最大移進量為33 mm，兩幫最大移進量為18 mm，均小于40 mm，實現了對42201 運輸順槽的有效支護。