盛鑫礦回采巷道圍巖變形特征及支護(hù)技術(shù)研究

李成章

（鄂爾多斯市盛鑫煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引言

回采巷道的掘進(jìn)與支護(hù)是礦山建設(shè)過程中量大、面廣的工程[1]，巷道的穩(wěn)定性狀況取決于圍巖的地質(zhì)力學(xué)條件、采掘技術(shù)條件以及支護(hù)條件等[2]。長(zhǎng)期以來，回采巷道支護(hù)技術(shù)一直是專家學(xué)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(shí)現(xiàn)工作面安全回采[3-5]。

郭偉針對(duì)高應(yīng)力回采巷道底鼓治理難題，依據(jù)回采巷道賦存地質(zhì)條件，研究了巷道底鼓治理技術(shù)并用于工程實(shí)踐[6]；高鳳偉針對(duì)回采巷道軟巖復(fù)合頂板、斷面大、地應(yīng)力高以及回采期間巷道劇烈變形等控制難點(diǎn)，提出了全斷面高預(yù)緊力高強(qiáng)錨索支護(hù)技術(shù)[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(duì)重復(fù)采動(dòng)條件下急傾斜煤層回采巷道變形破壞特征進(jìn)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(jī)理，分析了回采巷道圍巖區(qū)域主應(yīng)力場(chǎng)分布特征[10]。

以上述研究為基礎(chǔ)，本文以盛鑫煤礦42201運(yùn)輸順槽為工程背景，采用FLAC3D 數(shù)值分析軟件，探究其巷道圍巖塑性區(qū)分布及應(yīng)力相應(yīng)特征，進(jìn)而針對(duì)性地提出“菱形金屬網(wǎng)+ 螺紋鋼錨桿＋鋼筋梯子梁＋錨索”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

盛鑫礦42201 運(yùn)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(yùn)輸順槽北部為42201 回采工作面，南部為42104工作面采空區(qū)，西部以井田邊界為界，東部為4-2中煤二盤區(qū)輔運(yùn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guī)律

2.1 模型建立

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

圖2 42201 運(yùn)輸順槽數(shù)值模型Fig.242201 numerical model of transport corridor

2.2 模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 Numerical simulation results

根據(jù)圖3 模擬結(jié)果分析，盛鑫礦42201 運(yùn)輸順槽開挖后，巷道頂?shù)装逄幱诖蠓秶膽?yīng)力低值區(qū)，而巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中系數(shù)約為1.2。

開挖順槽巷道后，兩幫塑性區(qū)深度小于巷道頂?shù)装澹瑑蓭退苄詤^(qū)深度控制在1 m 以內(nèi)，頂板塑性區(qū)寬度最大，為3.5 m，底板塑性區(qū)深度約為1 m。可見，在施打錨桿時(shí)，巷道兩幫錨桿長(zhǎng)度為1 m 時(shí)即可錨固到巷幫的彈性區(qū)，為錨桿提供牢靠錨固基點(diǎn)；頂板須在淺部施加2.4 m 短錨桿的基礎(chǔ)上，對(duì)頂板圍巖施打長(zhǎng)錨索，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道頂板的有效錨固。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)及位移監(jiān)測(cè)

3.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基于數(shù)值模擬結(jié)果，確定42201 運(yùn)輸順槽支護(hù)采用“菱形金屬網(wǎng)＋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(zhǎng)×寬=4500 mm×70 mm。頂網(wǎng)為12 號(hào)鐵絲制作的菱形網(wǎng)，長(zhǎng)×寬=4500 mm×1000 mm，網(wǎng)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(jìn)行錨固。

巷幫遇構(gòu)造或兩幫破碎時(shí)采用φ18 mm×1000 mm 圓鋼錨桿，配合長(zhǎng)×寬=2500 mm×1200 mm 金屬網(wǎng)支護(hù)。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(wǎng)為14 號(hào)鐵絲制作的菱形網(wǎng)，長(zhǎng)×寬=2.5 m×1.2 m，網(wǎng)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(hù)方案如圖4 所示。

圖4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)Fig.4 Support scheme design

3.2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

掘進(jìn)后巷道變形監(jiān)測(cè)如圖5 所示。

圖5 巷道開挖后圍巖位移量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Monitoring results of surrounding rock displacement after roadway excavation

30 d 后巷道變形較為穩(wěn)定，巷道頂板、巷道左幫、巷道右?guī)图暗装遄畲笞冃瘟糠謩e為33、18、14、22 mm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)42201 運(yùn)輸順槽的有效支護(hù)。

4 結(jié) 論

（1） 數(shù)值結(jié)果表明，開挖順槽巷道后，兩幫塑性區(qū)深度小于巷道頂?shù)装澹瑑蓭退苄詤^(qū)深度控制在1 m 以內(nèi)，頂板塑性區(qū)寬度最大，為3.5 m，底板塑性區(qū)深度約為1 m。

（2） 基于數(shù)值模擬結(jié)果，提出采用“菱形金屬網(wǎng)＋鋼筋梯子梁＋錨桿＋錨索+混凝土鋪底”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

（3） 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，采用聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為33 mm，兩幫最大移進(jìn)量為18 mm，均小于40 mm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)42201 運(yùn)輸順槽的有效支護(hù)。