淺埋煤層回采巷道圍巖變形與控制技術(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

淺埋煤層高效安全開(kāi)采一直是采礦行業(yè)面臨的主要技術(shù)問(wèn)題，巷道安全可靠作為生產(chǎn)系統(tǒng)必不可少的一部分，支護(hù)合理性與煤礦高效開(kāi)采直接相關(guān)[1-4]。

對(duì)于淺埋煤層巷道破壞機(jī)理及其圍巖控制，專家學(xué)者開(kāi)展了大量研究。張志勇等針對(duì)淺埋煤層巷道支護(hù)成本高、強(qiáng)度大的問(wèn)題，借助模擬軟件對(duì)其所提出的3 種支護(hù)方案進(jìn)行了數(shù)值分析[5]；陳長(zhǎng)華等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬2 種研究方法，探討了淺埋回采巷道不同位置處錨桿應(yīng)力演化規(guī)律[6]；樊克恭等應(yīng)用聯(lián)合支護(hù)理論，開(kāi)展了對(duì)淺埋巷道圍巖的破壞特征及破壞機(jī)理研究，并提出了合理的支護(hù)優(yōu)化技術(shù)[7]；呂坤等針對(duì)淺埋煤層弱黏結(jié)頂板巷道支護(hù)難題，模擬研究了不同主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)方向下的弱黏結(jié)頂板巷道圍巖塑性區(qū)的分布特征[8]；徐寧輝針對(duì)淺埋煤層破碎圍巖回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，提出了合理的巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)[9]。

上述成果對(duì)豐富淺埋煤層巷道支護(hù)研究具有重大意義，以上述研究為基礎(chǔ)，本文以盛鑫煤礦51204 回風(fēng)順槽為工程背景，研究分析其變形破壞機(jī)理與控制對(duì)策，提出采用“螺紋鋼錨桿＋鋼筋梯子梁＋錨索+高強(qiáng)混凝土鋪底”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

盛鑫礦51204 回風(fēng)順槽埋深在100 m 左右，走向長(zhǎng)1655.8 m，巷道寬4.5 m，巷道凈高3 m。51204 掘進(jìn)工作面區(qū)域北部為規(guī)劃的51201 工作面，南部為51203 工作面，西部以井田邊界為界，東部為5-1 煤二盤區(qū)輔運(yùn)大巷，上部為42101 工作面采空區(qū)。煤層平均厚度為3.53 m，煤層傾角0 ～7°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般為單一煤層。工作面巖層柱狀圖如圖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 數(shù)值模型建立及結(jié)果分析

2.1 模型的建立

根據(jù)盛鑫礦51204 回風(fēng)順槽工程地質(zhì)條件，建立如圖2 所示的數(shù)值計(jì)算模型，（x×y×z=140 m×100 m×90 m），工作面與巷道沿y 軸開(kāi)挖。側(cè)壓系數(shù)取1.2，煤巖體破壞關(guān)系符合摩爾- 庫(kù)侖模型。模擬51204 回風(fēng)順槽圍巖垂直應(yīng)力、位移及塑性破壞響應(yīng)特征。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Numerical calculation model

2.2 模擬結(jié)果分析

巷道開(kāi)挖后，圍巖塑性區(qū)、應(yīng)力及位移分布情況如圖3 所示。

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

由圖3 可知，巷道開(kāi)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1.3。

開(kāi)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)寬度為4 m，底板塑性區(qū)深度約為1 m。巷幫最大位移量為22.8 mm，巷道頂板最大位移量為42.6 mm，頂板位移量遠(yuǎn)大于巷幫位移量，與塑性區(qū)結(jié)果相符。

3 巷道圍巖控制對(duì)策

（1） 頂板錨桿索形成高強(qiáng)錨固承載結(jié)構(gòu)。由數(shù)值分析可知，頂板塑性破壞程度以及圍巖變形量大于巷道兩幫，因此頂板須在淺部圍巖施加錨桿的基礎(chǔ)上再施打高強(qiáng)長(zhǎng)錨索，以期實(shí)現(xiàn)在頂板中形成錨桿索復(fù)合錨固承載。

（2） 巷道底板混凝土噴漿鋪底。巷道底板表面噴漿鋪底，可以顯著改善巷道底板近表圍巖應(yīng)力狀態(tài)，有效限制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，對(duì)于抑制底鼓具有良好作用，有利于巷道保持穩(wěn)定。

4 支護(hù)方案設(shè)計(jì)及位移監(jiān)測(cè)

4.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

基于以上分析，確定51204 回風(fēng)順槽采用“螺紋鋼錨桿＋鋼筋梯子梁＋錨索+高強(qiáng)混凝土鋪底”的聯(lián)合支護(hù)方式，如圖4 所示。

圖4 支護(hù)方案Fig.4 Support scheme diagram

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，錨固力不小于80 kN。頂錨桿托盤為鋼質(zhì)碟形托盤，長(zhǎng)×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm。頂梯子梁為φ12 mm 的2 根鋼筋平行焊接而成。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×6200 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），錨索安裝后1 h張拉到設(shè)計(jì)預(yù)緊力（120 kN）。巷道掘進(jìn)時(shí)對(duì)巷道頂部出現(xiàn)的裂隙及破碎處采用錨索配合W 鋼帶加強(qiáng)支護(hù)。W 型鋼帶為Q235 材質(zhì)的WX180/3.0 型W鋼帶。

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，錨固力不小于50 kN。底板硬化采用C30 混凝土鋪底，厚度為200 mm。

4.2 位移監(jiān)測(cè)

51204 回風(fēng)順槽開(kāi)挖后，持續(xù)性地對(duì)掘進(jìn)開(kāi)挖后的順槽巷道圍巖收斂量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果Fig.5 Field observation results

28 d 后圍巖收斂量趨于穩(wěn)定，巷道頂板、底板、左幫及右?guī)蛧鷰r最大變形量分別為38、27、18、21 mm，變形量較小，處于可控范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)51204 回風(fēng)順槽圍巖的有效控制。

5 結(jié)論

（1） 數(shù)值結(jié)果表明，開(kāi)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)寬度為4 m。巷幫最大位移量為22.8 mm，巷道頂板最大位移量為42.6 mm，頂板位移量遠(yuǎn)大于巷幫位移量。

（2） 基于數(shù)值模擬結(jié)果，確定了51204 回風(fēng)順槽圍巖控制原則，并提出采用“螺紋鋼錨桿＋鋼筋梯子梁＋錨索+高強(qiáng)混凝土鋪底”的聯(lián)合支護(hù)方式。

（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，28 d 后圍巖收斂量趨于穩(wěn)定，巷道頂板、底板、左幫及右?guī)蛧鷰r最大變形量分別為38、27、18、21 mm，變形量處于可控范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)51204 回風(fēng)順槽圍巖的有效控制。