深部松軟破碎頂板回采巷道圍巖控制及支護(hù)技術(shù)研究

周曉路 朱貴禎

（內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗特弘煤炭有限公司官板烏素煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010300）

目前我國(guó)煤礦開(kāi)采逐步向深部進(jìn)軍，由于深部地層構(gòu)造力較大、頂板松軟破碎導(dǎo)致巷道圍巖變形較大，支護(hù)較為困難[1-3]。隨著巷道支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多專家學(xué)者對(duì)松軟破碎頂板回采巷道進(jìn)行了廣泛研究[4-9]。本文以官板烏素煤礦121101工作面為研究背景，開(kāi)展了深部松軟破碎頂板回采巷道圍巖控制及支護(hù)技術(shù)的研究，可為類似工程地質(zhì)條件下巷道支護(hù)提供借鑒與參考。

1 工程概況

官板烏素煤礦設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力1.5 Mt，目前主要開(kāi)采深部16#煤層，煤層的平均厚度大約6.3 m，煤層的埋深大約為600 m。在121101工作面掘進(jìn)到650 m時(shí)工作面頂板巖層變得松軟破碎，直接頂為砂質(zhì)泥巖，頂板裂隙較為發(fā)育，巷道開(kāi)挖后發(fā)生頂板嚴(yán)重下沉、兩幫變形不協(xié)調(diào)等問(wèn)題。

121101工作面回采巷道斷面尺寸為4 m×5 m，采用錨網(wǎng)噴+錨索聯(lián)合支護(hù)。巷道頂板布設(shè)6根長(zhǎng)為1.7 m的錨桿，錨桿間排距為0.8 m×0.8 m，錨桿的預(yù)緊力為25 kN；頂板布設(shè)3根長(zhǎng)為7.4 m的錨索，錨索間排距為1.6 m×1.6 m，錨索的預(yù)緊力為120 kN，使用CK2360樹(shù)脂藥卷；底板澆筑厚度為0.1 m的混凝土進(jìn)行封層。通過(guò)對(duì)121101工作面回采巷道的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫變形較大，嚴(yán)重影響了巷道施工進(jìn)度。巷道原支護(hù)布置如圖1。

圖1 巷道原支護(hù)布置圖

在121101工作面選取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用水力壓裂SYY-56地應(yīng)力測(cè)量?jī)x進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)

可以看出垂直應(yīng)力小于最大水平主應(yīng)力，由判斷標(biāo)準(zhǔn)，地應(yīng)力并非導(dǎo)致巷道圍巖變形的主要原因。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，工作面頂板巖層間賦有密度較大、較為發(fā)育的方解石巖脈，這些方解石巖脈破壞了頂板巖層的整體性，所以頂板破碎、松軟是導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生嚴(yán)重變形的主要原因。

2 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

內(nèi)層錨桿：巷道的頂?shù)装宀捎肕SGLW-500/22×2400的樹(shù)脂錨桿,巷道兩幫采用MSGLD-500/20×2400的樹(shù)脂錨桿，托盤(pán)采用150 mm×150 mm×10 mm的正方形碗狀鋼托盤(pán)（頂板采用T型鋼帶和鋼帶托盤(pán)）。巷道頂板的錨桿間排距為0.6 m×0.6 m，巷道兩幫的錨桿間排距為0.8 m×0.6 m。錨固劑：頂板錨桿每孔使用MSCKb2360型和MSCKb2370型錨固劑各1卷，兩幫錨桿每孔使用MSCKb2370型錨固劑1卷。

外層錨桿：采用MSGLW-500/22×6500自進(jìn)式注漿長(zhǎng)錨桿，錨桿間排距為0.8 m×0.6 m，每孔配用2卷MSCKb2360的錨固劑、1卷MSCKb2370的錨固劑，托盤(pán)采用Q345B材質(zhì)、抗拉強(qiáng)度380 MPa及以上的碳素結(jié)構(gòu)鋼板加工而成的蝶形托盤(pán)，規(guī)格300 mm×300 mm×1 6mm，預(yù)緊力不小于150 kN，錨固力不小于180 kN，表面噴射總厚240 mm混凝土噴層，深淺分區(qū)注漿通過(guò)長(zhǎng)短注漿錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行加固。巷道優(yōu)化支護(hù)方案布置如圖2。

圖2 巷道優(yōu)化支護(hù)方案圖

3 數(shù)值模擬

運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)121101工作面回采巷道開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析原支護(hù)方案與優(yōu)化支護(hù)技術(shù)方案下巷道開(kāi)挖后圍巖的變形。

所建模型的邊界條件為：模型的左、右以及上端面設(shè)置為應(yīng)力邊界條件，在模型的上頂面施加等同于巷道的實(shí)際埋深的應(yīng)力載荷，模型前、后端面以及底面設(shè)置為位移邊界。模型總共劃分為58 956個(gè)單元、81 042個(gè)節(jié)點(diǎn)。在模型的計(jì)算過(guò)程中錨桿錨索衰減參數(shù)與塑性變形關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 錨桿索衰減參數(shù)與塑性變形關(guān)系

不同支護(hù)方案下巷道開(kāi)挖后圍巖位移分布云圖如圖3所示。通過(guò)對(duì)比二者的位移云圖可看出，采用新支護(hù)技術(shù)方案后，巷道頂板最大沉降值約為15 mm，和原支護(hù)方案相比，最大沉降值減小了約46%；巷道底板最大隆起值約為11 mm，和原支護(hù)方案相比，最大隆起值減小了約39%。說(shuō)明新支護(hù)技術(shù)方案更能有效控制松軟破碎圍巖的穩(wěn)定性。

圖3 巷道垂直位移分布云圖

原支護(hù)方案與新支護(hù)技術(shù)方案下巷道開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)分布云圖如圖4所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，采用新支護(hù)技術(shù)方案后，巷道圍巖的塑性區(qū)范圍大約為3.2 m，相比原支護(hù)方案減小了約58.3%。這是由于新支護(hù)技術(shù)方案的高強(qiáng)度錨桿發(fā)揮出了錨固體的承載能力，控制了巷道圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及監(jiān)測(cè)

在121101工作面回采巷道頂?shù)装寮皟蓭筒荚O(shè)表面位移測(cè)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，巷道圍巖表層位移變形量監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5。由曲線圖可以看出，巷道穩(wěn)定后，圍巖收斂速率降低為1.2 mm/d，頂板最大變形量為30 mm，兩幫最大變形量約為34 mm，底板最大變形量為14 mm，總體變形量較小。巷道噴層結(jié)構(gòu)未發(fā)生開(kāi)裂、掉塊現(xiàn)象，表明變形得到有效控制。

圖5 巷道圍巖變形量曲線圖

5 結(jié)論

（1）對(duì)松軟破碎圍巖的原支護(hù)方案和優(yōu)化支護(hù)方案的數(shù)值模擬，確定了新支護(hù)技術(shù)的可行性。

（2）采用新支護(hù)技術(shù)后，巷道圍巖的整體變形量明顯減小。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，采用新支護(hù)技術(shù)后，圍巖離層量大幅減小，實(shí)現(xiàn)了對(duì)松軟破碎圍巖的有效控制，驗(yàn)證了新支護(hù)技術(shù)的合理性。