15201 運(yùn)輸順槽圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

焦炎斌

（山西高平科興游仙山煤業(yè)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(yè)有限公司15201 工作面位于二采區(qū)，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(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育。煤層頂板為K2 灰?guī)r，底板為黑色泥巖或細(xì)粒砂巖。15201 回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)高度×寬度=3.4 m×4.2 m，巷道為全煤巷道。由于煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，為保障15201 回風(fēng)順槽圍巖的穩(wěn)定，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的分類及回風(fēng)順槽圍巖控制技術(shù)的研究。

2 圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 圍巖穩(wěn)定性分類

回采巷道圍巖穩(wěn)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(qiáng)度，巷道埋深、采動(dòng)影響系數(shù)、圍巖完整性等因素。在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性劃分時(shí)，圍巖完整性指數(shù)是指圍巖節(jié)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?guī)r，平均厚5.39 m，平均抗壓強(qiáng)度為43.1 MPa，平均抗拉強(qiáng)度為4.89 MPa，平均抗剪強(qiáng)度為7.30 MPa，巖石堅(jiān)硬程度屬中硬～堅(jiān)硬巖。底板鋁土質(zhì)泥巖，平均厚度5.00 m，平均抗壓強(qiáng)度21.65 MPa，平均抗拉強(qiáng)度1.22 MPa，平均抗剪強(qiáng)度1.82 MPa，巖石堅(jiān)硬程度屬極軟弱巖～中硬巖[4]。15#煤層頂、底板為穩(wěn)定性較好類頂?shù)装濉?/p>

根據(jù)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范，錨桿支護(hù)基本形式為：端錨桿體直徑＞16 mm，桿體長(zhǎng)度1.6～2.0 m，間排距0.8～1.2 m，設(shè)計(jì)錨固力64～80 kN[5-6]。

2.2 錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)15201 工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合15201 運(yùn)輸順槽圍巖穩(wěn)定性的分類結(jié)果，為確定合理的支護(hù)參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行支護(hù)參數(shù)的分析。數(shù)值模型長(zhǎng)×寬×高=190 m×100 m×85 m。模型的四個(gè)側(cè)面為位移邊界，限制水平移動(dòng)；底部為固定邊界，限制水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)；模型頂部施加垂直應(yīng)力的等效荷載。結(jié)合礦井回采巷道的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為合理設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)，設(shè)計(jì)四種支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析，具體模擬方案見表1。

表1 數(shù)值模擬方案表

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，具體對(duì)巷道在不同支護(hù)方案下的塑性區(qū)分布、垂直應(yīng)力分布及圍巖變形量進(jìn)行分析。

（1）塑性區(qū)分布。巷道在四種支護(hù)方案下塑性區(qū)分布如圖1。

圖1 四種支護(hù)方案下圍巖塑性區(qū)發(fā)育特征

分析圖1 可知，四種支護(hù)方案下，巷道兩幫及底板塑性區(qū)的發(fā)育特征基本相同，方案四頂板塑性區(qū)發(fā)育范圍最小。巷道圍巖頂板支護(hù)中，錨桿均錨固在完整巖層內(nèi)，塑性區(qū)為發(fā)展至頂板錨桿錨固區(qū)。

（2）垂直應(yīng)力。巷道在四種支護(hù)方案下圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2。

由圖2 可知，巷道在四種不同支護(hù)方案下，巷道垂直應(yīng)力在頂板和底板范圍內(nèi)呈拱形分布，頂板和底板出現(xiàn)一定范圍垂直應(yīng)力低于原巖應(yīng)力的卸壓拱，巷道兩幫1.8～2.4 m 范圍和底角處垂直應(yīng)力最大，從方案一到方案四兩幫垂直應(yīng)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(shí)，頂板錨桿支護(hù)基本均處于卸壓拱內(nèi)，能提升錨桿支護(hù)對(duì)圍巖控制的效果。

圖2 四種支護(hù)方案下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

（3）圍巖變形量?；跀?shù)值模擬結(jié)果得出巷道在不同參數(shù)錨桿支護(hù)時(shí)圍巖變形數(shù)據(jù)，見表2。

表2 四種支護(hù)方案下圍巖變形量

通過對(duì)比分析不同支護(hù)方案下的巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量數(shù)據(jù)可知，巷道圍巖變形量隨著頂板支護(hù)強(qiáng)度的增大而逐漸減小。其中：巷道在采用方案四時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟孔钚。捎梅桨付头桨溉龝r(shí)，圍巖變形量相對(duì)較大。據(jù)此可知，改進(jìn)方案四對(duì)巷道位移控制作用最為明顯。方案一巷道圍巖基本得到穩(wěn)定控制，方案二與方案一支護(hù)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(shù)值模擬分析可知，巷道頂板最外側(cè)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(qiáng)巷道錨固圈整體的穩(wěn)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?yōu)?200 mm×1000 mm，其他支護(hù)方案不變，但須視頂板圍巖變化在必要時(shí)加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度，或補(bǔ)打錨索支護(hù)。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 圍巖支護(hù)方案

根據(jù)15201 運(yùn)輸順槽的地質(zhì)條件，結(jié)合圍巖穩(wěn)定性的分類結(jié)果及錨桿支護(hù)參數(shù)的分析結(jié)果，設(shè)計(jì)巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。頂板錨桿采用高強(qiáng)度螺紋鋼（20MnSi），型號(hào)為Ф20 mm×2000 mm，間排距為1000 mm×1200 mm，錨桿錨固長(zhǎng)度為1140 mm，預(yù)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(hào)為Ф17.8 mm×6300 mm，間排距為2200 mm×2400 mm，錨索錨固長(zhǎng)度為2280 mm，錨索采用三花2+1 布置，錨索預(yù)緊力為100 kN，錨索托盤選用300 mm×300 mm×16 mm 高強(qiáng)度托盤，采用Ф6.0 mm 的鋼筋焊接而成的矩形鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)頂。

（2）兩幫支護(hù)。實(shí)體煤幫錨桿采用高強(qiáng)度螺紋鋼（20MnSi），規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm。工作面煤幫錨桿采用玻璃鋼錨桿（MGSL-20），規(guī)格為Ф20 mm×2400 mm，間排距均為1000 mm×1200 mm，錨固長(zhǎng)度均為450 mm?？拷敯搴偷装宓膸湾^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(yù)緊扭矩為150 N·m，同樣采用Ф6.0 mm 的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫。

具體巷道支護(hù)方案如圖3。

圖3 開切眼圍巖移近曲線圖

圖3 15201 運(yùn)輸順槽支護(hù)方式布置示意圖

3.2 效果分析

15201 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在巷道迎頭，隨著巷道掘進(jìn)持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量記錄，最終匯總數(shù)據(jù)繪制出圍巖變形隨時(shí)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(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間圍巖變形主要出現(xiàn)在巷道掘出0～40 d 內(nèi)，當(dāng)掘出時(shí)間大于40 d 后，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤蠓档?，圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)巷道掘出50 d 后，圍巖基本不再出現(xiàn)變化。最終頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為52 mm 和85 mm，表明巷道在該支護(hù)方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

根據(jù)15201 運(yùn)輸順槽的地質(zhì)條件，基于巷道頂板屬較好類頂板的特征，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定錨桿的支護(hù)參數(shù)，結(jié)合巷道具體特征，進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)方案的設(shè)計(jì)。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，巷道圍巖在該種支護(hù)方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。