深部松软破碎顶板回采巷道围岩控制及支护技术研究

周晓路 朱贵祯

（内蒙古准格尔旗特弘煤炭有限公司官板乌素煤矿，内蒙古 准格尔旗 010300）

目前我国煤矿开采逐步向深部进军，由于深部地层构造力较大、顶板松软破碎导致巷道围岩变形较大，支护较为困难[1-3]。随着巷道支护技术的不断发展，许多专家学者对松软破碎顶板回采巷道进行了广泛研究[4-9]。本文以官板乌素煤矿121101工作面为研究背景，开展了深部松软破碎顶板回采巷道围岩控制及支护技术的研究，可为类似工程地质条件下巷道支护提供借鉴与参考。

1 工程概况

官板乌素煤矿设计年生产能力1.5 Mt，目前主要开采深部16#煤层，煤层的平均厚度大约6.3 m，煤层的埋深大约为600 m。在121101工作面掘进到650 m时工作面顶板岩层变得松软破碎，直接顶为砂质泥岩，顶板裂隙较为发育，巷道开挖后发生顶板严重下沉、两帮变形不协调等问题。

121101工作面回采巷道断面尺寸为4 m×5 m，采用锚网喷+锚索联合支护。巷道顶板布设6根长为1.7 m的锚杆，锚杆间排距为0.8 m×0.8 m，锚杆的预紧力为25 kN；顶板布设3根长为7.4 m的锚索，锚索间排距为1.6 m×1.6 m，锚索的预紧力为120 kN，使用CK2360树脂药卷；底板浇筑厚度为0.1 m的混凝土进行封层。通过对121101工作面回采巷道的现场调研发现，巷道两帮变形较大，严重影响了巷道施工进度。巷道原支护布置如图1。

图1 巷道原支护布置图

在121101工作面选取两个测点，采用水力压裂SYY-56地应力测量仪进行地应力测试，结果见表1。

表1 地应力测量数据

可以看出垂直应力小于最大水平主应力，由判断标准，地应力并非导致巷道围岩变形的主要原因。

通过现场勘查，工作面顶板岩层间赋有密度较大、较为发育的方解石岩脉，这些方解石岩脉破坏了顶板岩层的整体性，所以顶板破碎、松软是导致巷道围岩发生严重变形的主要原因。

2 支护方案优化设计

内层锚杆：巷道的顶底板采用MSGLW-500/22×2400的树脂锚杆,巷道两帮采用MSGLD-500/20×2400的树脂锚杆，托盘采用150 mm×150 mm×10 mm的正方形碗状钢托盘（顶板采用T型钢带和钢带托盘）。巷道顶板的锚杆间排距为0.6 m×0.6 m，巷道两帮的锚杆间排距为0.8 m×0.6 m。锚固剂：顶板锚杆每孔使用MSCKb2360型和MSCKb2370型锚固剂各1卷，两帮锚杆每孔使用MSCKb2370型锚固剂1卷。

外层锚杆：采用MSGLW-500/22×6500自进式注浆长锚杆，锚杆间排距为0.8 m×0.6 m，每孔配用2卷MSCKb2360的锚固剂、1卷MSCKb2370的锚固剂，托盘采用Q345B材质、抗拉强度380 MPa及以上的碳素结构钢板加工而成的蝶形托盘，规格300 mm×300 mm×1 6mm，预紧力不小于150 kN，锚固力不小于180 kN，表面喷射总厚240 mm混凝土喷层，深浅分区注浆通过长短注浆锚杆对围岩进行加固。巷道优化支护方案布置如图2。

图2 巷道优化支护方案图

3 数值模拟

运用FLAC3D软件对121101工作面回采巷道开挖进行数值模拟，对比分析原支护方案与优化支护技术方案下巷道开挖后围岩的变形。

所建模型的边界条件为：模型的左、右以及上端面设置为应力边界条件，在模型的上顶面施加等同于巷道的实际埋深的应力载荷，模型前、后端面以及底面设置为位移边界。模型总共划分为58 956个单元、81 042个节点。在模型的计算过程中锚杆锚索衰减参数与塑性变形关系见表2。

表2 锚杆索衰减参数与塑性变形关系

不同支护方案下巷道开挖后围岩位移分布云图如图3所示。通过对比二者的位移云图可看出，采用新支护技术方案后，巷道顶板最大沉降值约为15 mm，和原支护方案相比，最大沉降值减小了约46%；巷道底板最大隆起值约为11 mm，和原支护方案相比，最大隆起值减小了约39%。说明新支护技术方案更能有效控制松软破碎围岩的稳定性。

图3 巷道垂直位移分布云图

原支护方案与新支护技术方案下巷道开挖后围岩塑性区分布云图如图4所示。通过对比可以看出，采用新支护技术方案后，巷道围岩的塑性区范围大约为3.2 m，相比原支护方案减小了约58.3%。这是由于新支护技术方案的高强度锚杆发挥出了锚固体的承载能力，控制了巷道围岩塑性区的发展。

4 现场应用及监测

在121101工作面回采巷道顶底板及两帮布设表面位移测站进行现场监控量测，巷道围岩表层位移变形量监测结果如图5。由曲线图可以看出，巷道稳定后，围岩收敛速率降低为1.2 mm/d，顶板最大变形量为30 mm，两帮最大变形量约为34 mm，底板最大变形量为14 mm，总体变形量较小。巷道喷层结构未发生开裂、掉块现象，表明变形得到有效控制。

图5 巷道围岩变形量曲线图

5 结论

（1）对松软破碎围岩的原支护方案和优化支护方案的数值模拟，确定了新支护技术的可行性。

（2）采用新支护技术后，巷道围岩的整体变形量明显减小。同时根据现场监测结果显示，采用新支护技术后，围岩离层量大幅减小，实现了对松软破碎围岩的有效控制，验证了新支护技术的合理性。