堅硬頂板巷道支護方案優化研究

鄒 偉

（大同煤礦集團東周窯煤業有限公司，山西 大同 037000）

堅硬頂板巷道的支護，簡單套用礦井設計規范[1-2]，容易造成錨網索支護間排距過密，對原本完好的頂板造成破壞[3-5]。東周窯礦對目前采用的順槽支護密度進行優化，以期達到掘進高效、經濟合理的目的。

1 概況

大同礦區大部為堅硬頂板巷道，15#煤XV108工作面北面為井田邊界，東西面為未采區，南面為15#煤三條大巷，15#煤蓋山厚度大致在240～450m之間，平均340m。XV108工作面長度為180m，走向長度1370.5m，順槽巷道掘進斷面尺寸：5.2×2.6m2，切眼巷道掘進斷面尺寸：7.2×2.6m2，巷道埋深在340m左右。巷道沿煤層頂板掘進，直接頂為石灰巖，堅硬，塊狀，均厚12.5m。現順槽錨桿、錨索支護密度較大，雖支護效果理想，但成本過高，掘進速度較慢。

2 錨桿支護模擬

2.1 錨桿預應力

錨桿預應力為巷道主動支護的關鍵因素，通過FLAC3D模擬巷道頂板在不同預應力條件下的受力情況，結果如圖1所示。

圖1 不同錨桿預應力形成的附加應力場分布

由圖1可知，在低預應力作用下，巷道形成較小應力范圍區，每根錨桿的有效應力范圍零散分布，無法形成有效應力圈。在高應力作用下，預應力作用范圍明顯增大，使得巷道頂板應力區連成有效整體，改善圍巖應力狀態，巷道頂板受力分布均勻，有害變形更小。

錨桿預應力可選擇大于常規數值。

2.2 錨固方式

錨桿錨固可以提高錨桿的抗拉能力，減少頂板巖石離層。對不同錨固條件下圍巖應力分布進行FLAC3D數值模擬，結果如圖2所示。

圖2 不同錨固方式錨桿的附加應力場分布

由圖2-（a）可得，在端部錨固狀態下，錨桿應力作用在兩端較為明顯，中部為應力降低區，對圍巖受力狀態改變明顯；由圖2-（b）可得，錨桿進行加長錨固后，預應力作用范圍明顯減小，無法積極發揮主動支護作用，有效支護面積也有所減小；由圖2-（c）可得，全長錨固錨桿對預應力發揮產生阻礙作用，使得錨桿有效壓應力區大大減小。

2.3 錨桿角度

巷道頂板兩角部一般為應力集中區，對支護要求較高，現對不同頂板角錨桿角度支護條件下，圍巖應力進行FLAC3D數值模擬分析，結果如圖3所示。

圖3 不同錨桿角度的附加應力場分布

由圖3-a可得，當角錨桿垂直于巷道頂板布置時，頂板形成較厚有效應力區，并連成整體，頂板范圍內得到有效支護；由圖3-（b）、3-（c）可得，隨著角錨桿角度的增大，巷道頂角處有效應力范圍逐漸減小，并逐漸由整體應力區變為分散應力區，頂板圍巖無法全部受力，大大降低錨桿的支護作用。當角錨桿角度達到15°時，頂板形成3個應力區，應力圈被分裂，巷道無法維持整體性，對圍巖變形無法有效控制。考慮到巷道施工的便利性，一般角錨桿角度不超過10°。

3 支護方案優化

通過大量樣本巷道的調查并運用回歸性分析，得出在一定埋深下，D、σc、B三者的關系：

表1 頂板穩定類型及支護方式

式中：

Bmax-巖層穩定極限跨距，m；

ξ- 蠕變系數，ξ=0.5～0.7；

η-安全系數，一般取η=4；

σc-懸吊巖層的抗壓強度，MPa；

-巖石的平均容重，N/m3；

md-地層載荷系數，md=kH，k取0.022m，H為巷道埋深；

mz-支護載荷系數，指懸吊層巖石本身重量與懸吊層需懸吊其下方巖石的全部重量的比值，即：

式中：

D-單層厚巖層的厚度，m；

L-單層厚巖層離頂板表面的距離，m。

代入變換得：

由上式得：

通過類比分析，參照類似巷道支護方案，提出XV108工作面順槽支護優化設計方案。

（1）頂板支護：錨桿型號MSGLW-400 20/2000，每排4根，排距1.8m，間距1.5m，角錨桿施工最大角度不超過5°，配合一支MSK2335和一支MSZ2360樹脂錨固劑，錨固力不小于120kN，預緊力矩不小于300N·m。采用鋼筋梯梁護頂，規格為SB14-70-4600-4，在安裝錨桿的位置焊接兩段縱筋，間距100mm，以便安裝錨桿。

錨索型號SKP15.24-1/1860-5400，每排1根，排距5.4m，打設在巷道中間，全部垂直巷道頂板打設，配合一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑，錨索初始預緊力不小于120kN。

（2）巷幫支護（煤柱側）：錨桿型號MSGLW-400 20/2000，每排3根，排距1.8m，間距900mm。錨固劑錨固力同頂板錨桿。采用高強雙抗塑料網護表，網格規格50×50mm，網片規格2.5×1.9m。

（3）巷幫支護（工作面側）：采用玻璃鋼錨桿，型號Ф20-M22-2000，每排3根，排距1.8m，間距900mm，采用一支MSK2335樹脂錨固劑進行錨固，預緊力矩不小于40N·m。采用高強雙抗塑料網護表，網格規格50×50mm，網片規格2.5×1.9m。

4 支護效果

巷道共設三個測站：巷道掘出100m后設置第一個測站，包括兩個巷道表面位移監測斷面，一個頂板離層監測斷面，一個錨桿受力監測斷面；巷道掘出200m后設置第二測站；500m以后設置第三測站。

監測結果表明，在巷道支護初期，產生較大位移，頂底板移近量達56mm，之后趨于穩定，僅產生較小變形，由于工作面順槽服務時間較短，可滿足安全要求。