大斷面8230進風巷合理支護技術研究

牛 棟

（山西陽煤集團，山西 陽泉 045000）

1 概況

山西陽煤五礦8230工作面開采的15號煤層為較復雜結構煤層，一般含矸3～4層，巖性為泥巖，堅固性系數f為2。該煤層煤巖類型為半亮型～光亮型，煤層平均厚度6.1m，平均傾角8°。基本頂為中粒砂巖，平均厚度7.0m，堅固性系數f為4；直接頂為黑色泥巖，平均厚度10.45m，堅固性系數f為3；直接底為黑色砂質泥巖，平均厚度1.43m，堅固性系數f為3；基本底為灰黑色細砂巖，平均厚度3.15m，堅固性系數f為4。

8230工作面順槽巷道均為矩形巷道，巷道斷面寬度為5m，高度為3.2m。巷道原有的支護形式主要為錨桿和金屬網支護，采用鋼梁對頂板進行支護加固。在原有的巷道支護設計下，頂板部分區域下沉量明顯，裂隙發育顯著，導致錨桿和金屬網支護效果大打折扣。為了定量評價巷道圍巖變形和穩定性狀況，通過離層監測儀對覆巖的離層情況和變形量進行監測，進而為分析巷道合理的布置方案提供重要的依據。

2 頂板離層監測

在8230工作面進風順槽內一共布置2個測站，每個測站布置2個測點，每個測點位置安裝1個離層監測儀，對巷道頂板的變形量進行連續監測，并將監測數據傳輸到電腦進行分析。

在I測站1號測點位置，在距工作面48m以外，深處覆巖未發生離層，當距工作面48m之內時，最大離層量也僅為1mm，說明高層位頂板幾乎不受巷道掘進和采場采動的影響；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為4 mm。在I測站2號測點位置，與工作面距離分別為72m、25m、16m、8m和2m時，深處淺處覆巖離層量分別為1mm、2mm、3mm、4mm和5mm；與工作面距離分別為20m和6m時，淺處覆巖離層量分別為1mm和2mm；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為3mm。總體上，該位置巷道頂板離層量要比1號測點大。

在II測站1號測點位置，與工作面距離分別為36m、20m、12m和2m時，深處覆巖離層量分別為1mm、2mm、3mm和4mm，最大離層量為 5mm；與工作面距離為13m時，淺處覆巖離層量分別為1mm；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為4mm。在II測站2號測點位置，與工作面距離分別為40m、30m、14m和5m時，深處淺處覆巖離層量分別為1mm、2mm、3mm和4mm，最大離層量為6mm；與工作面距離分別為27m和5m時，淺處覆巖離層量分別為1mm和2mm；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為4mm。

原有的錨桿支護仍有一定的支護能力，但無法保證巷道覆巖長期的穩定性。從4個測點監測到的覆巖離層量整體分析，深處覆巖在距離工作面40m以外的位置變形較大，說明大范圍的深處覆巖受采場采動影響較大，巷道頂板有垮落破壞的傾向。故在巷道掘進過程中需要及時進行支護，且支護結構可對高層位巖層起到加固作用，而單一的錨桿支護無法滿足該要求，需要采用錨索錨桿共同支護的設計。同時離層指示儀監測的深處覆巖距巷道表面垂高為5m，故設計的錨索長度要超過5m。在距工作面20m以外淺處覆巖也存在一定的變形，故需要采用錨索+錨桿+錨網的聯合支護形式才可以最大程度地維持巷道圍巖穩定性。

3 巷道支護設計

依據懸吊理論和免壓拱理論得到的錨索長度計算公式見（1）所示。

式中：

l1-可能垮落的覆巖厚度，m；

l2-錨索外露長度，m；

l3-錨索錨固長度，m。

l1可根據公式（2）求得：

式中：

B-巷道斷面寬度以及巷幫片幫深度之和，m；

f-巷道覆巖平均普氏硬度，取0.49。

距巷道表面垂高為5m的位置覆巖離層量較大，為了使錨索將發生離層的覆巖錨固到穩定巖層中，盡可能地提高覆巖穩態，確定錨索錨固長度為1.5m，外露長度為0.2m，則根據公式（1）確定錨索長度為6.7m。從利于巷道支護結構施工的角度出發，最終設計錨索長度為6.8m。

4 巷道支護參數數值模擬

確定支護形式后，需要進一步對支護參數等進行優化。基于確定的錨索長度，通過數值模擬軟件對不同支護體數量下的巷道圍巖穩定性進行數值模擬分析，最終可確定最優的支護方案。建立模型走向長度為65m，傾向長度40m，模型高度選擇為85m，模型四側施加水平約束條件，底部施加水平和豎直雙向約束條件，上表面施加等效均布荷載，本構模型選擇為庫倫摩爾準則。擬開挖巷道斷面寬度為5m，高度為3m。

（1）錨索數量

頂板布置不同數量錨索下的巷道圍巖塑性屈服特征顯示：當布置錨索數量為1根時，巷道頂板破壞形式以剪切破壞為主，且兩邊破壞的范圍要大于中部，整體破壞圍巖呈馬鞍形分布，破壞范圍較大；當錨索數量為2根時，巷道頂板破壞仍以剪切破壞為主，破壞范圍要明顯減小，說明巷道覆巖變形失穩得到了較好的控制；錨索數量為3時，覆巖破壞范圍與錨索數量為2時的破壞范圍相差較小，說明錨索數量為2時就已經可以較好地維持覆巖穩定性。

（2）錨桿數量

頂板布置不同數量錨桿下的巷道圍巖塑性屈服特征顯示：當布置錨桿數量為4根時，巷道頂板破壞范圍較大；當錨桿數量為5根時，巷道頂板破壞范圍要明顯減小，說明巷道覆巖變形失穩得到了較好的控制；錨桿數量為6時的覆巖破壞范圍與錨桿數量為5時的破壞范圍相差較小，說明當錨桿數量在5以上時，錨桿控制巷道覆巖穩定的效果趨于一致，錨桿數量為5時就已經可以較好地維持覆巖穩定性。

當頂錨索數量為2，頂錨桿數量為5時，巷道頂板的穩定性就可以得到較好的控制。優化后的巷道頂板支護方案為：錨桿索、金屬網加鋼帶聯合支護形式；錨桿為5根A3圓鋼加工而來的金屬樹脂錨桿，長度為2200mm，支護間距和排距均設定為1000mm，靠近巷幫的錨桿打設在距巷幫300mm的位置；錨索布置2排，與兩幫距離均為1500mm，長度為6800mm，支護排距為2000mm，間距為2200mm。如圖1所示。

圖1 優化設計斷面支護圖

5 結語

（1）在巷道原有的支護形式下，無法保證巷道覆巖長期的穩定性。離層監測儀監測的深處覆巖距巷道表面垂高為5m，距工作面20m以外淺處覆巖存在一定的變形。

（2）優化后的巷道頂板支護方案為：頂板錨桿為5根A3圓鋼金屬樹脂錨桿，長度為2200mm，支護間距和排距均設定為1000mm；錨索布置2排，與兩幫距離均為1500mm，長度為6800mm，支護排距為2000mm，間距為2200mm。