15201 运输顺槽围岩控制技术研究与应用

焦炎斌

（山西高平科兴游仙山煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概况

山西高平科兴游仙山煤业有限公司15201 工作面位于二采区，工作面开采15#煤层，煤层厚度3.40～4.90 m，平均3.97 m，属全区稳定可采煤层，煤层节理裂隙发育。煤层顶板为K2 灰岩，底板为黑色泥岩或细粒砂岩。15201 回风顺槽沿煤层底板掘进，掘进高度×宽度=3.4 m×4.2 m，巷道为全煤巷道。由于煤层节理裂隙发育，为保障15201 回风顺槽围岩的稳定，进行围岩稳定性的分类及回风顺槽围岩控制技术的研究。

2 围岩稳定性及支护参数设计

2.1 围岩稳定性分类

回采巷道围岩稳定性受多种因素的影响，主要包括顶板岩层、煤层及底板岩层的单轴抗压强度，巷道埋深、采动影响系数、围岩完整性等因素。在进行围岩稳定性划分时，围岩完整性指数是指围岩节理、裂隙和层理的影响程度，一般可利用直接顶初次垮落步距代替[1-3]。

15#煤层顶板为K2 灰岩，平均厚5.39 m，平均抗压强度为43.1 MPa，平均抗拉强度为4.89 MPa，平均抗剪强度为7.30 MPa，岩石坚硬程度属中硬～坚硬岩。底板铝土质泥岩，平均厚度5.00 m，平均抗压强度21.65 MPa，平均抗拉强度1.22 MPa，平均抗剪强度1.82 MPa，岩石坚硬程度属极软弱岩～中硬岩[4]。15#煤层顶、底板为稳定性较好类顶底板。

根据煤矿锚杆支护技术规范，锚杆支护基本形式为：端锚杆体直径＞16 mm，杆体长度1.6～2.0 m，间排距0.8～1.2 m，设计锚固力64～80 kN[5-6]。

2.2 锚杆支护参数设计

根据15201 工作面的地质条件，结合15201 运输顺槽围岩稳定性的分类结果，为确定合理的支护参数，采用FLAC3D数值模拟软件进行支护参数的分析。数值模型长×宽×高=190 m×100 m×85 m。模型的四个侧面为位移边界，限制水平移动；底部为固定边界，限制水平移动和垂直移动；模型顶部施加垂直应力的等效荷载。结合矿井回采巷道的支护经验，为合理设计锚杆支护参数，设计四种支护方案进行对比分析，具体模拟方案见表1。

表1 数值模拟方案表

根据数值模拟结果，具体对巷道在不同支护方案下的塑性区分布、垂直应力分布及围岩变形量进行分析。

（1）塑性区分布。巷道在四种支护方案下塑性区分布如图1。

图1 四种支护方案下围岩塑性区发育特征

分析图1 可知，四种支护方案下，巷道两帮及底板塑性区的发育特征基本相同，方案四顶板塑性区发育范围最小。巷道围岩顶板支护中，锚杆均锚固在完整岩层内，塑性区为发展至顶板锚杆锚固区。

（2）垂直应力。巷道在四种支护方案下围岩垂直应力分布如图2。

由图2 可知，巷道在四种不同支护方案下，巷道垂直应力在顶板和底板范围内呈拱形分布，顶板和底板出现一定范围垂直应力低于原岩应力的卸压拱，巷道两帮1.8～2.4 m 范围和底角处垂直应力最大，从方案一到方案四两帮垂直应力的最大值分别为8.95 MPa、9.11 MPa、9.12 MPa 和8.94 MPa。且从图中能够看出在采用方案四时，顶板锚杆支护基本均处于卸压拱内，能提升锚杆支护对围岩控制的效果。

图2 四种支护方案下围岩垂直应力分布云图

（3）围岩变形量。基于数值模拟结果得出巷道在不同参数锚杆支护时围岩变形数据，见表2。

表2 四种支护方案下围岩变形量

通过对比分析不同支护方案下的巷道掘进期间围岩变形量数据可知，巷道围岩变形量随着顶板支护强度的增大而逐渐减小。其中：巷道在采用方案四时，顶底板及两帮变形量最小，采用方案二和方案三时，围岩变形量相对较大。据此可知，改进方案四对巷道位移控制作用最为明显。方案一巷道围岩基本得到稳定控制，方案二与方案一支护效果较为接近，而方案三巷道围岩位移较大，尤其是两帮的收缩量较其他方案大幅增加。

综合上述数值模拟分析可知，巷道顶板最外侧两根锚杆又向外倾斜20°，形成了“斜锚杆”，可降低巷道肩部围岩的破坏，增强巷道锚固圈整体的稳定性。建议巷道顶板采用Ф20 mm×2000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为1200 mm×1000 mm，两帮用Ф20 mm×2400 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距变为1200 mm×1000 mm，其他支护方案不变，但须视顶板围岩变化在必要时加长锚杆长度，或补打锚索支护。

3 围岩控制技术

3.1 围岩支护方案

根据15201 运输顺槽的地质条件，结合围岩稳定性的分类结果及锚杆支护参数的分析结果，设计巷道采用锚网索支护方案，具体支护参数如下：

（1）顶板支护。顶板锚杆采用高强度螺纹钢（20MnSi），型号为Ф20 mm×2000 mm，间排距为1000 mm×1200 mm，锚杆锚固长度为1140 mm，预紧力为300 N·m，锚杆托盘采用120 mm×10 mm圆托盘，靠近两帮的顶板锚杆向两帮倾斜20°布置，其余锚杆均垂直于顶板布置。顶板锚索采用1×7 股钢绞线，型号为Ф17.8 mm×6300 mm，间排距为2200 mm×2400 mm，锚索锚固长度为2280 mm，锚索采用三花2+1 布置，锚索预紧力为100 kN，锚索托盘选用300 mm×300 mm×16 mm 高强度托盘，采用Ф6.0 mm 的钢筋焊接而成的矩形钢筋网进行护顶。

（2）两帮支护。实体煤帮锚杆采用高强度螺纹钢（20MnSi），规格为Ф20 mm×2400 mm。工作面煤帮锚杆采用玻璃钢锚杆（MGSL-20），规格为Ф20 mm×2400 mm，间排距均为1000 mm×1200 mm，锚固长度均为450 mm。靠近顶板和底板的帮锚杆向顶板和底板倾斜20°，其余锚杆均垂直于巷帮布置，帮锚杆预紧扭矩为150 N·m，同样采用Ф6.0 mm 的钢筋网进行护帮。

具体巷道支护方案如图3。

图3 开切眼围岩移近曲线图

图3 15201 运输顺槽支护方式布置示意图

3.2 效果分析

15201 运输顺槽掘进期间采用十字布点法进行围岩变形监测，围岩变形监测点布置在巷道迎头，随着巷道掘进持续进行数据测量记录，最终汇总数据绘制出围岩变形随时间的变化曲线如图4。

图4 掘巷期间围岩变形曲线图

分析图4 可知，15201 运输顺槽掘进期间围岩变形主要出现在巷道掘出0～40 d 内，当掘出时间大于40 d 后，顶底板及两帮变形量均大幅降低，围岩逐渐趋于稳定，当巷道掘出50 d 后，围岩基本不再出现变化。最终顶底板及两帮变形量的最大值分别为52 mm 和85 mm，表明巷道在该支护方案下围岩处于稳定状态。

4 结论

根据15201 运输顺槽的地质条件，基于巷道顶板属较好类顶板的特征，结合数值模拟结果，确定锚杆的支护参数，结合巷道具体特征，进行锚网索支护方案的设计。根据巷道掘进期间的围岩变形监测结果可知，巷道围岩在该种支护方案下围岩处于稳定状态。