堅硬直接頂大斷面煤巷圍巖支護方案設計

李斌 張余成

摘 要：本文以平安煤業15#煤層的賦存特點及煤巷尺寸為基礎，采用FLAC建立數值模型，對巷道錨桿的排距、間距及長度進行數值分析，指導設計了堅硬直接頂大斷面煤巷的圍巖支護方案。

關鍵詞：堅硬直接頂；大斷面；煤巷；支護方案；數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.051

1 工程地質概況

1.1 工程條件

山西壽陽段王集團平安煤業有限公司目前主采15#煤層，煤層基本賦存穩定、含3～5層夾矸，結構復雜，普氏硬度系數f為1～1.5。煤層傾角2°～22°，平均10°；煤層厚度為4.49～5.85m，平均4.54m，。直接頂為3.62m粗砂巖，局部為石灰巖，老頂為6.39m細砂巖；直接底為2.03m泥巖。但根據150109回采工作面及150111掘進工作面實際揭露，工作面西部局部頂板巖層缺失，為黃土層；且局部距離風氧化帶較近，礦壓較為明顯。因此需要加強采區頂板管理，提高支護安全及質量。

1.2 工程特點與難點

依據平安礦提供相關資料以及中國礦業大學圍巖控制課題組實地調研與現場試驗獲取的相關數據，15#煤層頂板支護方面具有以下特點與難點：

（1）直接頂堅硬：直接頂為粗砂巖，局部為石灰巖，完整性較好，堅硬的直接頂大大加長了錨桿、錨索支護的施工時間，降低掘進速度。

（2）巷道尺寸大：為滿足生產系統要求，巷道尺寸設計為寬×高=4.5m×2.8m。大斷面煤巷周邊圍巖破裂、松動范圍較大，圍巖變形破壞更加嚴重。

（3）兩幫變形大：由于堅硬的直接頂，使巷道上覆載荷直接傳遞到巷道兩幫，使兩幫煤壁破碎片幫嚴重。

2 數值模擬

建立FLAC數值模型，模型尺寸寬×高=34.5m×37.5m，共劃分10350個單元。以15#煤賦存條件和煤巷尺寸為基礎，選取煤層及其頂底板力學參數，設置巷道開挖尺寸為寬×高=4.5m×2.8m。根據15#煤層埋深，在模型上邊界和底部施加巖層的自重應力，應力大小分別為6.17MPa和7.12MPa，水平方向應力梯度為25KPa/m。

2.1 錨桿排距數值模擬分析

結合以往生產經驗，選取600mm、800mm、1000mm、1200mm、1400mm五種不同排距，模擬不同排距下的巷道變形量，所得規律如圖1所示。

由上圖可知，排距對錨桿支護效果的影響十分明顯，相同條件下，錨桿排距越小支護密度越大，圍巖變形量也就越小。當排距超過1200mm時，圍巖變形十分顯著，尤其是巷道底鼓，變形量接近1m，圍巖支護效果與無支護差別不大。當排距為1000mm以下時，圍巖變形量明顯得到有效改善。但隨著排距的進一步縮小，圍巖變形量的減小幅度并不明顯，尤其是巷道幫部，圍巖變形量減小僅為50mm左右，可認為此時的圍巖支護強度已接近飽和狀態。

綜上，當錨桿排距為1000mm時，巷道的頂板及兩幫即可得到有效控制，雖然底鼓仍比較大，但起底后不影響生產，且維修成本并不高。而排距進一步減小雖然能使圍巖變形量進一步改善，但效果不大，支護成本卻增加顯著，相比較而言性價比較低。因此，確定巷道初始掘進時的錨桿排距為1000mm。

2.2 錨桿間距數值模擬分析

由于巷道尺寸已經確定，錨桿的間距可以根據錨桿的根數來確定并相應調整。根據以往經驗，選取3-4-4、3-5-4、5-6-5、6-7-6等四種間距，分別模擬不同錨桿間距時的巷道變形量。每種方案的3個數字分別代表實體煤幫、頂板和采空區幫的錨桿數，如“3-4-4”代表實體煤幫布置3根錨桿、頂板布置4根錨桿、采空區幫布置4根錨桿。模擬結果如圖2所示。

由圖可知，在相同條件下，錨桿的間距越小需要的錨桿數量越多，圍巖的承載性能也就越高。當錨桿密度小于“3-5-4”時，巷道變形量仍較大；而進一步減小錨桿間距，即增加錨桿數量時，僅巷道底鼓得到有效改善，而頂板及兩幫的變形量變化很小，不足50mm。因此，也可認為當錨桿支護密度大于“3-5-4”型時，圍巖承載性能近于飽和。從圍巖控制的成效比考慮，此類條件下錨桿布置形式選擇“3-5-4”型比較合理，即錨桿間距為：實體煤幫布置3根錨桿，間距1000mm；頂板布置5根錨桿，間距900mm；采空區幫布置4根錨桿，間距900mm。

2.3 錨桿長度模擬分析

結合上述分析結果對錨桿長度進行數值模擬研究，設置錨桿長度分別為2.2、2.5、2.8m三個方案，模擬結果如圖3所示。

從模擬結果來看，錨桿長度從2.2m增大到2.8m，巷道最大變形量由400mm降低到280mm，適當增大錨桿長度有利于控制巷道圍巖變形，有利于降低圍巖應力集中程度，控制巷道淺部圍巖破碎區向深

部擴展。因此，確定巷道掘進初期頂板錨桿長度為2.8m。

3 圍巖支護方案設計

根據上述數值模擬結果，設計此類地質條件下巷道支護方案為：

（1）頂板布置5根錨桿，間距900mm，排距1000mm，靠近巷幫的頂板錨桿安設角度為與鉛垂線成15°。

（2）采空區側幫部布置4根錨桿，間距900mm，排距1000mm，靠近頂、底板的幫部錨桿安設角度為與水平線成15°。

（3）實煤體幫部布置3根錨桿，間距1000mm，排距1000mm，靠近頂、底板的幫部錨桿安設角度為與水平線成15°。

（4）錨桿長度為2.8m，直徑為22mm，錨桿初始預緊為80kN。

（5）錨桿配套120×100×10mm蝶形托盤，每孔裝一根CK2335樹脂藥卷和一根Z2350樹脂藥卷。

（6）頂板每隔一排錨桿布置一組錨索，一組錨索包括2根，即呈“2-0-2”式布置，錨索布置的間排距為1800×1800mm。規格Φ15.2×6300mm，與鉛垂線成20°安設，配套250×250×12mm的托盤，每孔裝一根CK2335樹脂藥卷和兩根Z2350樹脂藥卷。

（7）頂板采用網孔大小為100×100mm的鋼筋網護表，幫部采用網孔規格60×60mm的菱形網護表。

（8）在斷層、陷落柱構造帶影響區域，將排距減小到800mm，增加頂板錨索數量，使其呈“2-1-2”式布置。

4 結語

根據平安煤業15#煤賦存特點，結合煤巷尺寸，利用FLAC數值模擬的方法，確定了錨桿支護方案的排距、間距和錨桿長度，在此基礎上，設計了堅硬直接頂大斷面煤巷的圍巖支護方案。

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