浅埋煤层回采巷道围岩变形与控制技术研究

李成章

（鄂尔多斯市盛鑫煤业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

0 引言

浅埋煤层高效安全开采一直是采矿行业面临的主要技术问题，巷道安全可靠作为生产系统必不可少的一部分，支护合理性与煤矿高效开采直接相关[1-4]。

对于浅埋煤层巷道破坏机理及其围岩控制，专家学者开展了大量研究。张志勇等针对浅埋煤层巷道支护成本高、强度大的问题，借助模拟软件对其所提出的3 种支护方案进行了数值分析[5]；陈长华等结合现场实测与数值模拟2 种研究方法，探讨了浅埋回采巷道不同位置处锚杆应力演化规律[6]；樊克恭等应用联合支护理论，开展了对浅埋巷道围岩的破坏特征及破坏机理研究，并提出了合理的支护优化技术[7]；吕坤等针对浅埋煤层弱黏结顶板巷道支护难题，模拟研究了不同主应力偏转方向下的弱黏结顶板巷道围岩塑性区的分布特征[8]；徐宁辉针对浅埋煤层破碎围岩回采巷道支护参数优化问题，提出了合理的巷内支护技术[9]。

上述成果对丰富浅埋煤层巷道支护研究具有重大意义，以上述研究为基础，本文以盛鑫煤矿51204 回风顺槽为工程背景，研究分析其变形破坏机理与控制对策，提出采用“螺纹钢锚杆＋钢筋梯子梁＋锚索+高强混凝土铺底”的联合支护技术，并进行巷道表面位移监测。

1 工程概况

盛鑫矿51204 回风顺槽埋深在100 m 左右，走向长1655.8 m，巷道宽4.5 m，巷道净高3 m。51204 掘进工作面区域北部为规划的51201 工作面，南部为51203 工作面，西部以井田边界为界，东部为5-1 煤二盘区辅运大巷，上部为42101 工作面采空区。煤层平均厚度为3.53 m，煤层倾角0 ～7°，煤层结构简单，一般为单一煤层。工作面岩层柱状图如图1 所示。

图1 工作面煤岩层柱状图Fig.1 Column diagram of coal and rock strata in working face

2 数值模型建立及结果分析

2.1 模型的建立

根据盛鑫矿51204 回风顺槽工程地质条件，建立如图2 所示的数值计算模型，（x×y×z=140 m×100 m×90 m），工作面与巷道沿y 轴开挖。侧压系数取1.2，煤岩体破坏关系符合摩尔- 库仑模型。模拟51204 回风顺槽围岩垂直应力、位移及塑性破坏响应特征。

图2 数值计算模型Fig.2 Numerical calculation model

2.2 模拟结果分析

巷道开挖后，围岩塑性区、应力及位移分布情况如图3 所示。

图3 数值模拟结果Fig.3 Numerical simulation results

由图3 可知，巷道开挖后，巷道顶底板处于大范围的应力低值区，而巷道两帮出现应力集中现象，应力集中系数约为1.3。

开挖顺槽巷道后，两帮塑性区深度小于巷道顶底板，两帮塑性区深度控制在1 m 以内，顶板塑性区宽度为4 m，底板塑性区深度约为1 m。巷帮最大位移量为22.8 mm，巷道顶板最大位移量为42.6 mm，顶板位移量远大于巷帮位移量，与塑性区结果相符。

3 巷道围岩控制对策

（1） 顶板锚杆索形成高强锚固承载结构。由数值分析可知，顶板塑性破坏程度以及围岩变形量大于巷道两帮，因此顶板须在浅部围岩施加锚杆的基础上再施打高强长锚索，以期实现在顶板中形成锚杆索复合锚固承载。

（2） 巷道底板混凝土喷浆铺底。巷道底板表面喷浆铺底，可以显著改善巷道底板近表围岩应力状态，有效限制围岩塑性区的发展，对于抑制底鼓具有良好作用，有利于巷道保持稳定。

4 支护方案设计及位移监测

4.1 支护方案设计

基于以上分析，确定51204 回风顺槽采用“螺纹钢锚杆＋钢筋梯子梁＋锚索+高强混凝土铺底”的联合支护方式，如图4 所示。

图4 支护方案Fig.4 Support scheme diagram

顶锚杆为MSGLW-335/φ20×2000 mm 的螺纹钢锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm（每排6根），使用1 根CK2370 的锚固剂锚固，锚固力不小于80 kN。顶锚杆托盘为钢质碟形托盘，长×宽×厚=150 mm×150 mm×10 mm。顶梯子梁为φ12 mm 的2 根钢筋平行焊接而成。顶网为12 号铁丝制作的菱形网，长×宽=4500 mm×1000 mm，网孔50 mm×50 mm。

顶锚索为SKP18-1/1860，φ17.8 mm×6200 mm 钢绞线锚索，在巷道中间布置，间排距为2400 mm×2400 mm（每排2 根），锚索安装后1 h张拉到设计预紧力（120 kN）。巷道掘进时对巷道顶部出现的裂隙及破碎处采用锚索配合W 钢带加强支护。W 型钢带为Q235 材质的WX180/3.0 型W钢带。

帮锚杆为MSGM-235/φ18 mm×1000 mm（A3圆钢锚杆），锚杆间排距1000 mm×1100 mm，使用1 根CK2335 的锚固剂锚固，锚固力不小于50 kN。底板硬化采用C30 混凝土铺底，厚度为200 mm。

4.2 位移监测

51204 回风顺槽开挖后，持续性地对掘进开挖后的顺槽巷道围岩收敛量进行监测，结果如图5所示。

图5 现场观测结果Fig.5 Field observation results

28 d 后围岩收敛量趋于稳定，巷道顶板、底板、左帮及右帮围岩最大变形量分别为38、27、18、21 mm，变形量较小，处于可控范围内，实现了对51204 回风顺槽围岩的有效控制。

5 结论

（1） 数值结果表明，开挖顺槽巷道后，两帮塑性区深度小于巷道顶底板，两帮塑性区深度控制在1 m 以内，顶板塑性区宽度为4 m。巷帮最大位移量为22.8 mm，巷道顶板最大位移量为42.6 mm，顶板位移量远大于巷帮位移量。

（2） 基于数值模拟结果，确定了51204 回风顺槽围岩控制原则，并提出采用“螺纹钢锚杆＋钢筋梯子梁＋锚索+高强混凝土铺底”的联合支护方式。

（3） 现场应用结果显示，采用联合支护技术后，28 d 后围岩收敛量趋于稳定，巷道顶板、底板、左帮及右帮围岩最大变形量分别为38、27、18、21 mm，变形量处于可控范围内，实现了对51204 回风顺槽围岩的有效控制。