常村煤礦高應力大跨度回采巷道支護技術

王 卓

(山西潞安集團常村煤礦)

隨著掘進技術的快速發展及設備逐漸大型化的趨勢，煤礦井下巷道也朝著大斷面的方向發展［1-3］，一些回采巷道跨度由炮掘工藝時期的2.5～3 m發展到現在綜掘工藝的3.5～5.5 m，充分滿足了運輸行人的需要［4］。但由于地應力和高水平應力的作用，本容易發生嚴重擠壓和剪切破壞的頂板，當巷道跨度較大時，維護難度更大［5-6］。以常村煤礦2105工作面膠帶運輸順槽為例，進行了高水平應力下大跨度回采巷道支護技術的研究。

1 巷道地質概況

常林煤礦2105工作面膠帶運輸順槽位于3#煤層，3#煤層位于山西組的中、下部，為全井田可采。巷道掘進50 m范圍內無大的地質構造，經實測，可解吸瓦斯含量為4.31 m3/t，煤(礦)塵具有爆炸性，不易自燃，無熱害威脅。

地應力測試結果顯示，最大水平主應力13.19 MPa，最小水平主應力為 6.85 MPa，垂直主應力為8.63 MPa，總體上屬于中等應力區域，水平應力占優勢且量值相對較高，為較典型的構造應力場。巷道掘進方向與最大水平主應力方向夾角較大，受水平應力影響較大。

2105膠帶運輸順槽全長2410.62 m(其中機頭段135.12 m，正巷2271.7 m)，巷道凈寬 5.5 m，凈高3.4 m，凈斷面 18.7 m2。3#煤平均厚度 5.98 m，巷道沿底板掘進，留2.5 m的頂煤。

2 巷道圍巖變形破壞數值模擬

在進行巷道支護設計之前，首先采用數值模擬的方法對巷道圍巖變形破壞情況進行了研究。采用有限差分FLAC3D數值模擬軟件，各巖層剛度及強度參照實驗室測定結果。由于巖體存在眾多節理裂隙，有明顯的非連續性，其強度應低于實驗室測定值，因此模型物理參數取值應進行適當折減［7］，模擬結果如圖1所示。

從數值模擬結果的塑性區分布范圍來看，巷道頂板發生塑性屈服的范圍要遠遠大于兩幫，且塑性區高度較大，兩幫塑性區只是在巖層交界面處范圍較大;圍巖剪應變增量分布顯示，剪應變較大區域主要集中在頂板，剪應變值最大的部位出現在頂板肩角處，煤頂板最容易沿肩角斜向上發生剪切破壞，如支護強度不夠，則有冒頂的危險;圍巖表面位移主要表現為垂直位移大于水平位移，說明水平應力對于巷道頂板的擠壓以及剪切形成的塑性應變造成頂板下沉，而兩幫位移主要是由水平應力引起的沿層理面的滑動，垂直應力量值不高，對于幫部的剪切和擠壓作用不是很明顯。

綜合數值模擬結果來看，對于高水平應力大跨度巷道，圍巖變形破壞形成的薄弱部位為頂板，主要由于水平應力剪切作用，造成塑性破壞并在應力擠壓下形成較大的下沉，且由于巷道跨度較大，幫部對于頂板的支撐效應有所減弱，因此應對頂板進行有針對性的重點支護。

3 巷道支護設計

根據2105工作面膠帶運輸順槽圍巖穩定性分析，結合類似工程的支護經驗，設計了多個支護方案，通過數值模擬對各方案的支護效果進行對比，最終選定了以下支護方案進行巷道支護施工。見圖2。

3.1 頂板支護

頂板采用錨網索聯合讓壓支護，支護材料及技術參數選取如下:

圖1 圍巖變性破壞數值模擬結果

圖2 巷道支護示意

(1)錨桿布置。錨桿型號為NMG-2224，桿體強度為500 MPa，長度2.4 m，桿尾螺紋為M24。錨桿配件采用拱型托板、萬向球(頂角安裝)、三明治墊圈、讓壓管、1010型阻尼墊片、螺母(外徑35 mm，內徑22 mm)。每排布置6根錨桿，間排距1000 mm。鉆孔直徑φ30 mm，錨桿預應力40～50 kN，錨固力190 kN，最終緊固扭矩達到400 N·m。

(2)錨索布置。選用φ22 mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線錨索，延伸率 7%，長度6300 mm，托板尺寸為300 mm×300 mm×16 mm，拱高60 mm。錨索為大五花布置時，兩根間距2200 mm，距幫1800 mm;3根時，一根正中布置，其余2根各偏中1400 mm，距幫1350 mm，排距2 m，全部垂直頂板打設。鉆孔直徑φ30 mm，錨固力不小于250 kN，考慮到張拉預應力損失，初始需張拉至300 kN。

(3)雙鋼筋托梁，型號為φ16 mm×5200 mm×1000 mm×120 mm(6眼)。

(4)網片。采用10#鉛絲編織的網片，規格為5900 mm×1100 mm(網格為30 mm ×30 mm)，用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相聯。

3.2 巷幫支護

由于幫部變形破壞不是很嚴重，穩定性較強，因此采用錨桿支護，不需打設錨索，支護材料及技術參數選取如下:①錨桿，錨桿材料與頂板完全相同，每排每幫布置4根，間距900 mm，排距1000 mm;②雙鋼筋托梁，規格型號為φ14 mm×3200 mm×1000 mm×105 mm(4眼)，幫頂角錨桿距頂300 mm，底角錨桿距底400 mm;③網片與頂板規格相同。

4 礦壓監測

在巷道內布置1個巷道表面位移監測點，1個頂板離層監測點，1個錨桿受力監測點，都布置在距巷口300 m左右位置。通過對巷道變形情況以及錨桿受力狀態的實時監測，反應巷道支護效果，如圖3所示。

圖3 巷道礦壓監測結果

經過約50 d的礦壓監測，巷道支護的效果顯著。頂板表面位移最終穩定在52 mm，兩幫表面位移僅有25 mm左右，圍巖變形量比較小。頂板離層量一直在緩慢增加，但量值不大，最高為5 mm，離層在可控范圍以內。錨桿受力表現出明顯的特征，即頂板錨桿受力大于幫錨桿，尤其是頂板中部錨桿，受力超過100 kN，說明對于高水平應力大跨度巷道，錨桿承受了較大的載荷，充分發揮了主動支護作用，工作狀態良好。

5 結論

以常村煤礦2105工作面膠帶運輸順槽為例，研究了高水平應力作用下大跨度巷道的圍巖變形破壞情況及相應的支護技術，得出了以下結論:

(1)高水平應力作用下大跨度巷道以頂板的變形破壞為主，由于高水平應力的剪切作用，造成頂板大面積塑性破壞并在應力擠壓下形成較大的下沉量，且巷道跨度較大，幫部對于頂板的支撐效應有所減弱。

(2)高水平應力作用下大跨度巷道頂板應保證高支護強度，錨桿錨索應施加高預緊力，通過高強支護限制圍巖破壞的擴展，避免發生過大的早期變形。在此基礎上，可以適度讓壓，保證支護受力均勻、防止錨桿錨索發生破斷。

［1］ 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2007.

［2］ 郭志宏，宋宏偉，董方庭.大跨度矩形巷道錨噴支護模擬研究［J］.中國礦業大學學報，1990(2):72-78.

［3］ 邢龍龍.大跨度切眼巷道錨桿(索)支護技術研究［D］.西安:西安科技大學，2008.

［4］ 段昌標.大跨度大斷面軟巖巷道交岔點錨桿(索)支護技術［J］.煤炭技術，2003，22(3):50-51.

［5］ 石 蒙，鞠文君，汪占領.高幫大斷面硐室圍巖穩定性及支護技術研究［J］.煤礦開采，2015(2):47-49.

［6］ 牛少卿，楊雙鎖，李 義，等.大跨度巷道頂板層面剪切失穩機理及支護方法［J］.煤炭學報，2014(S2):325-331.

［7］ 王少華，趙宗勇，郭 靖，等.基于FLAC3D強度折減法的三種收斂判據的比較分析［J］.現代礦業，2011(2):47-48.