大斷面頂托煤巷道支護技術研究

夏記保

（山西煤炭運銷集團臨汾有限公司，山西 臨汾 034000）

山西煤銷集團金辛達煤礦1101工作面沿煤層底板掘進輔運順槽，頂板為復合頂板，巖層為10號煤、夾矸及9號煤炭。巷道掘進中，需保持頂板巷道圍巖穩定，同時需滿足足夠斷面要求，以適應高產高效綜合機械化放頂煤回采。針對1101輔運順槽特殊地質及回采工藝等有關要求，提出了相應支護技術，保證巷道在工作面回采期間的凈斷面要求，實現安全高效綜合回采。

1 巷道地質條件

首采的1101工作面，放頂煤開采9～11號煤，煤層平均厚度為5.62 m，傾角為3°～10°，煤層硬度f值為2～3，節理裂隙較發育。9#煤層頂板為K2石灰巖，灰巖為深灰色，質地堅硬、性脆，屬堅硬巖石，巖體完整時構成了堅硬極難冒落頂板，飽和抗壓強度48.5～58.8 MPa，屬Ⅲ類穩定型頂板。

2 大斷面沿底留頂煤巷道變形失穩特征

對于大斷面沿底掘進巷道，因其巷道斷面大，四周圍巖為煤層，圍巖強度低，且經受巷道回采動壓影響，支護難度大，圍巖變形量及巷道塑性區更大，其變形波壞特征主要如下：

（1）頂板變形破壞嚴重，塑性區大，圍巖離層量大，頂板節理裂隙發育，掘巷過程中，在集中應力影響下易剪切破壞，巷道頂板離層與巷寬的四次方成正比，巷道頂板中部離層量最大，因此對于大斷面巷道，巷寬增大后，頂板離層變形量急劇增大；

（2）冒頂突發性強。大斷面沿底留頂巷道，巷道跨度大，頂板巖性差，冒頂突發性強且范圍大，甚至冒頂范圍可達70～80 m；

（3）巷道底鼓嚴重。巷道支護若忽視對底板支護，只加強頂板及兩幫支護，底板易成為壓力釋放突破口；此外巷道底鼓量與巷寬的四次方成正比，因此對于大斷面巷道，底鼓將更難治理。

3 大斷面沿底留頂煤巷道圍巖穩定機理

為探究大斷面沿底留頂巷道圍巖穩定機理，建立FLAC3D數值模擬模型，研究頂煤厚度及巷寬對圍巖塑性區的影響，模型總體尺寸為142×20×78m（長×寬×高），共劃分35275個單元，43344個節點，模型底面固定，四個側面限制水平運動，上邊界施加上覆巖層自重10 MPa，水平側壓系數為1.3，模型采用彈塑性材料，運用Mohr-Coulomb屈服準則判斷巖體的破壞。

3.1 頂煤厚度對圍巖塑性區的影響

不同頂煤厚度下圍巖塑性區分布規律如圖1所示。

圖1 頂煤厚度對圍巖塑性區影響

對比上圖，可以發現對于沿底掘進巷道，頂板厚度增加對兩幫塑性區影響較小，但兩幫塑性區都比較大，因此需加強兩幫支護。頂煤厚度的增加對頂板圍巖的影響明顯，頂煤厚度增加后塑性區從頂板中部向兩邊迅速擴展，最后和兩幫塑性區連為整體，破壞形式以剪切破壞為主。巷道頂板巷中及兩個頂角要加強支護，是防止頂板發生整體滑移破壞的關鍵。

3.2 巷道寬度對圍巖塑性區的影響

參照上述分析過程，研究巷道寬度變化（3.5～5m）對圍巖塑性區影響（數值模擬分析圖略），可以發現：

（1）隨著巷道寬度的增加，塑性區范圍沒有發生明顯變化，但底板塑性區均較大；

（2）巷道寬度的增大對圍巖塑性區影響大，巷道寬度從3.5 m增加到5.5 m時，塑性區迅速向圍巖深部擴展，兩幫支護尤為關鍵；

（3）在巷寬較小的時候（3.5 m），頂板淺部出現拉伸破壞區，隨著巷道寬度的增加，圍巖破壞方式發生改變，由拉伸破壞變為剪切破壞，隨著巷道寬度的增大，塑性區向深部擴展趨勢不明顯，但迅速向周邊擴展，和兩幫塑性區連為整體；

（4）巷道寬度的增大改變了巷道頂板的破壞方式，小斷面巷道頂板破壞主要以剪破壞或拉剪破壞為主，而大斷面巷道頂板破壞主要以拉破壞為主。

4 現場工業性試驗

4.1 支護參數

頂板支護：鋼筋梯子梁組合HRB335螺紋鋼錨桿支護，錨索補強支護。鋼筋梯子梁由Φ12 mm的鋼筋焊接而成。選用規格為Φ20 mm、L2200 mm的錨桿，每排5根，間排距為1100×1200 mm。頂板選用規格為Φ17.8 mm、L5200 mm的小孔徑預應力錨索，間排距為2200×2400mm。

兩幫支護：鋼筋梯子梁組合HRB335螺紋鋼錨桿支護。選用規格為Φ20 mm、L2000 mm的錨桿，每排6根，間排距為1000×1000mm。

4.2 支護效果分析

為了觀測1101工作面輔運順槽在掘進及回采期間圍巖活動規律，設置測站，對圍巖表面位移等進行觀測。

圖2 表面位移監測曲線

1101工作面輔運順槽表面位移規律如下：巷道掘進后，表面位移快速上升，持續時間10 d左右，頂底板平均移近速度為3.7mm/d，兩幫平均移近速度為4.9mm/d，這是巷道開挖后圍巖應力由三向變為二向，承載能力下降，形成一定范圍的破碎區，巖體破碎后，體積迅速膨脹，表面位移快速增長。隨著遠離掘進迎頭，圍巖變形速度不斷減小并趨于穩定，掘進影響期大約為45 d。巷道達到穩定狀態后，圍巖變形速度在0.15mm/d以下，兩幫移近量為84mm，頂底板移近量為57mm，圍巖控制效果較好。

5 結語

采用科學合理的支護技術手段，保證了大斷面沿底留頂巷道受采動影響后能夠保持穩定，在服務期間巷道斷面滿足使用要求，不用二次支護、維護，大大減輕了工人的勞動強度，保障1101工作面水平運煤系統的穩定運行。