大斷面弱膠結(jié)軟巖巷道支護技術(shù)研究

華鵬飛

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

山西同煤集團晉華宮煤礦現(xiàn)主采的12-2#煤層屬侏羅紀中統(tǒng)大同組含煤地層，煤層直接頂為泥巖，軟化系數(shù)0.94，基本頂為細砂巖，孔隙度2.30%～3.70%，軟化系數(shù)0.68～0.96。受成巖年代及地質(zhì)環(huán)境等多因素影響，煤層頂板巖石遇水易軟化，是典型的弱膠結(jié)軟巖。弱膠結(jié)軟巖具有強度低、孔隙率大、孔隙水豐富、物理化學(xué)活性強、易風(fēng)化等特性，使得弱膠結(jié)軟巖巷道具有圍巖自承載能力差、自穩(wěn)時間長、易變性、流變特征明顯等特點。若采用傳統(tǒng)的支護方式，巷道易出現(xiàn)冒頂、底臌、兩幫及頂板收縮量大等問題，嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)。因此，有效維持弱膠結(jié)軟巖巷道穩(wěn)定，是晉華宮煤礦安全開采中亟待解決的難題之一。

1 概況

2103巷沿12-2#煤層頂板掘進。12-2#層煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，整體呈單斜構(gòu)造，屬侏羅紀中統(tǒng)大同組含煤地層，煤層走向近北東，傾向北西，煤層傾角3°～ 12°，平均7°，煤層厚度5.0～6.8m，平均5.72m，硬度系數(shù)3.0。

2103巷井下位置位于12-2#層301擴區(qū)，南至12-2#層301盤區(qū)回風(fēng)巷，西部為8101回采工作面，東部、北部均為實體。2103巷上覆7-4#層8103綜采采空區(qū)，低洼處可能有少量積水，上覆7-3#層為本礦8604綜采采空區(qū)，上覆3#層為實體，上覆2#層為刀柱采空區(qū)，12-2#與7-4#層層間距約51m，12-2#與7-3#層層間距約81m。巷道斷面為矩形，設(shè)計尺寸毛寬×毛高=5.4m×3.9m。

2 支護參數(shù)計算

設(shè)計采用錨桿+錨索+金屬網(wǎng)支護方式。

（1）錨桿長度計算

式中：

L1-錨桿外露長度，取0.15m；

L2-圍巖松動圈范圍，根據(jù)礦井實測數(shù)據(jù)，取1.5m；

L3-錨桿伸入圍巖松動圈外的長度，取0.6m。

經(jīng)計算，L頂=2.25m，實際采用Φ=22mm、L=2400mm高強錨桿。

l'為兩幫有效承載區(qū)深度：

式中：

Z-幫錨桿伸出有效承載區(qū)的最小錨固深度，取0.6m；

f-煤體普氏系數(shù)，取1.56；

B-巷道跨度，取5.4m；

l1-幫錨桿外露長度，取0.15m。

經(jīng)計算，L幫=2.06m，實際采用Φ=22mm、L=2400mm高強錨桿。

（2）錨桿間排距計算

P為頂板錨桿單根錨固力

式中：

σb-錨桿屈服強度，540MPa；

a-錨稈直徑，22mm；

K-安全系數(shù)，取2.0；

D—松動圈范圍，取1.5m；

γd-頂板巖石容重，23.2kN/m3。

經(jīng)計算，Ps=0.34根/m2，結(jié)合巷道寬度、施工組織、礦井鄰近采區(qū)經(jīng)驗等，取錨桿間排距為1000×1000mm。

（3）錨索參數(shù)

根據(jù)礦井生產(chǎn)實際，頂錨索選用Φ=22mm、L=7300mm鋼絞線錨索，幫錨索選用Φ=22mm、L=4300mm鋼絞線錨索，間排距均為2000×2000mm。

3 數(shù)值模擬驗證

（1）模型建立

依據(jù)301擴區(qū)2103巷的地質(zhì)資料，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對支護方案進行數(shù)值模擬。模型采用cable單元模擬錨桿和錨索。由于巷道垂深為400m，上覆巖層容重平均按25kN/m3計算，因此模型邊界垂直應(yīng)力按10MPa計取。具體參數(shù)見表1、表2。

表1 支護方案參數(shù)

表2 煤巖層力學(xué)參數(shù)

（2）數(shù)值模擬分析

數(shù)值模型建立后，對巖體進行開挖。巷道開挖寬度5.4m，高度3.9m。

圖1 錨桿支護斷面應(yīng)力圖

圖2 錨索支護斷面應(yīng)力圖

圖1分別反映了錨桿、錨索支護斷面應(yīng)力圖，圖1中2.4m長的頂錨桿剛剛穿過最大應(yīng)力集中區(qū)，2.4m長的幫錨桿端頭所在區(qū)域應(yīng)力也比較大；圖2中的頂錨索端頭距應(yīng)力集中區(qū)較遠，幫錨索端頭也距應(yīng)力集中區(qū)較遠，說明頂錨索和幫錨索端頭錨固處的圍巖是穩(wěn)定的。

圖3 Z方向位移矢量圖

圖3表明巷道頂板和兩幫位移量較小，但是底板存在較明顯的位移。

4 支護參數(shù)確定

（1）頂錨桿布置方式

頂錨桿每排6根，邊上兩根距巷幫200mm，采用錨固長度為1675mm的加長錨固，頂板錨桿安設(shè)角度與頂板垂直，頂部加掛W形鋼帶和鋼筋網(wǎng)。W形鋼帶由鋼板壓制成形，型號為W280×400/4。鋼筋網(wǎng)采用Ф=6.5mm鋼筋制作，網(wǎng)格為100mm×100mm。

（2）幫錨桿布置方式

幫錨桿每排每幫4根，距頂板300mm，距底板600mm。加長錨固，采用錨固長度為1675mm的加長錨固，巷幫錨桿安設(shè)角度與巷幫垂直，煤幫加掛鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)采用Ф=6.5mm鋼筋制作，網(wǎng)格為100mm×100mm。

（3）頂錨索的布置方式

每排3根，邊上兩根距巷幫700mm。為了能夠充分發(fā)揮錨索、錨桿組合支護效果，在錨索與錨索之間加掛W形鋼帶和鋼筋網(wǎng)。W形鋼帶型號為W280×400/4。

（4）幫錨索的布置方式

每排4根，兩幫各2根，矩形布置，上部錨索距頂板800mm，幫部錨索距底板超過1.5m時，進行補打錨索。

巷道支護斷面如圖4所示。

圖4 2103巷支護斷面圖

5 支護效果

2103工作面回采期間，采用“十字布點”法對2103巷道頂板、兩幫及底板變形量進行了觀測。觀測數(shù)據(jù)表明，巷道頂板最大下沉量為222mm，兩幫最大位移量為189mm，巷道底鼓最大量為259mm。巷道兩幫位移量較小，頂?shù)装逦灰屏勘容^明顯，但巷道變形量在可控范圍內(nèi)，和數(shù)據(jù)模擬分析得出結(jié)論一致，表明支護方案及參數(shù)合理。

6 結(jié) 語

2103弱膠結(jié)軟巖回采巷道采用高強度錨桿+錨索+鋼筋網(wǎng)的聯(lián)合支護方案，支護設(shè)計合理。數(shù)值模擬及后期實際礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，圍巖變形在合理范圍內(nèi)，能夠滿足安全生產(chǎn)的需要，大大減少了巷道的維護費用及返修量，取得了較好經(jīng)濟效益，可在類似的弱膠結(jié)軟巖回采巷道中推廣應(yīng)用。