矩形煤巷穩定性分析及支護對策研究

賈海成

（河北冀中能源股份有限公司段王煤業集團，山西壽陽 045400）

隨著國民經濟的發展，煤炭需求量逐年增加，巷道作為煤礦系統運行的“生命大動脈”，其穩定性如何直接決定了系統能否正常運行。在煤礦井下現場生產過程中，由于地質條件復雜多變，巷道的支護難度越來越大。因此，必須采用科學的支護手段來保證煤巷的穩定。在現場實踐中發現，煤巷兩幫變形、破壞對巷道整體穩定性具有重要影響［1-2］。本文在借鑒學習前人研究成果的基礎上［3-4］，以段王煤礦090509 皮帶巷為工程背景，研究兩幫支護對巷道圍巖變形的影響，并依據強幫固頂的原則，提出采用錨網索聯合支護方案，并應用于井下煤巷掘進。

1 工程概況

段王煤礦090509 工作面位于0105 采區東翼，工作面以東為井田邊界，以南為未開拓區，以西為0105 采區巷道，以北為正在開采的090507 工作面。090509 皮帶巷與090507 回采工作面平行布置，開口位置于一水平集中軌道巷東側，按方位角90°掘進96.2 m后，改按方位角215°施工28.2 m與一水平集中回風巷II 貫通，形成獨立通風系統；然后按方位角90°繼續向前掘進，設計掘進長度2 539.1 m（平距），巷道總工程量為2 667.3 m（平距）。090509 工作面皮帶巷平面布置見圖1。

圖1 090509 工作面皮帶巷平面布置

090509 皮帶巷巷道斷面為矩形。巷道按照地測科所放設中、腰線開口施工。巷道沿9 號煤煤層頂板掘進，其中9 號煤層直接頂為6.88 m厚的泥巖，老頂為7.92 m厚的中粒砂巖，直接底為6.95 m的細粒砂巖，老底為8.25 m砂質泥巖。090509 工作面皮帶巷技術特征見表1。

表1 090509 工作面皮帶巷技術特征

2 矩形煤巷圍巖穩定性分析及支護對策

2.1 巷道圍巖穩定性

巷道未開挖前，圍巖處于天然平衡狀態。但隨著巷道的開挖，巷道圍巖應力場受到破壞，其圍巖由三向應力狀態轉為二向受力狀態，圍巖應力重新分布。對于煤巷而言，巷道兩幫與頂板煤巖層的交界處常出現應力集中，并在高應力作用下會發生變形破壞。

巷道兩幫煤體在垂直應力和水平應力共同作用下，向臨空面產生較大的位移，出現鼓幫、片幫等破壞現象［3］。巷道兩幫的失穩，對頂板的支撐作用降低，造成巷道的整體失穩。巷道兩幫的破壞深度h由式（1）確定。

式中：H為巷道高度；Φ為為兩幫圍巖內摩擦角。

在矩形煤層巷道支護過程中，松軟煤幫的破壞相當于增大了巷道的有效寬度，巷道寬度的增加將加大巷道頂板的支護難度，加大頂板的破壞范圍。頂板的破壞高度b，即為普氏平衡拱拱高度，由式（2）確定，頂底板破壞范圍見圖2。

式中：b為普氏平衡拱拱高度；f為巖石普氏系數。

圖2 巷道頂底板破壞

把式（1）帶入式（2）得到式（3）：

通過式（1）、（2）、（3）中可以發現，巷道兩幫煤體的內摩擦角越小，巷道兩幫的破壞深度越大；在巷道寬度一定的情況下，兩巷幫部的破壞深度直接影響巷道頂板的破壞高度。因此，巷道兩幫是巷道支護設計的關鍵部位，提高巷道兩幫的支護強度，可以有效減小兩幫的破壞深度，進而減少巷道的頂板破壞高度，從而維護巷道圍巖的整體穩定。

2.2 巷道支護對策

根據煤層巷道的賦存狀態和礦壓顯現特點，單仁亮［5］等提出了加強巷道幫部支護的方法，從而達到控制巷道圍巖穩定的目的。煤層巷道在施工過程中，當煤巷斷面為矩形時，兩幫為實體煤，強度較低，首先會出現塑性變形，直至導致巷道圍巖整體發生失穩。

合理的支護方式能維護巷道的整體穩定。采用錨網索聯合支護的支護方式時，單根錨桿形成以兩端為頂點的中間壓縮區域； 多根錨桿共同作用，形成一個中間壓縮區域的壓縮帶見圖3，可有效提高巷道兩幫煤體的強度，起到改善發生塑性變形和破壞的煤體力學性質的作用，避免巷道兩幫煤體發生失穩。頂板采用錨索加固，可以充分發揮錨索錨固深度大、承載能力高等作用。采用錨網索聯合支護使支護系統和巷道圍巖形成一個有機整體，維護巷道圍巖的穩定［6］。

圖3 幫部鋼筋梯子梁錨桿錨固作用

3 巷道支護設計及效果分析

3.1 巷道圍巖支護設計

依據強幫固頂的原則，對段王煤礦090509 工作面皮帶巷支護參數進行設計。結合現場，可以得到以下參數：巷道寬度為B=4.7 m，高度為H=3.6 m，圍巖內摩擦角Φ=71.56°，巖石普氏系數f=3，分別代入式（1）、式（2）計算，兩幫的破壞深度為0.568 m，頂板的破壞高度為0.939 m。

依據錨網索設計原則及該礦已有的支護經驗，設計幫錨桿規格為Φ16 mm×1 800 mm，幫錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm；頂錨桿規格為Φ18 mm×2 200 mm，頂錨桿間排距為860 mm×1 000 mm。錨索規格為Φ15.24 mm×6 800 mm鋼絞線，錨索自巷中按間排距1 290 mm×2 000 mm進行支護，每排3 根（錨索打設在鋼帶上，中間錨索打設在巷道正中，另兩根安設處代替兩根頂錨桿）。090509 工作面皮帶巷支護設計見圖4。

圖4 皮帶巷支護設計

3.2 支護效果分析

采用“十字法”對巷道圍巖位移進行監測發現，前期巷道圍巖變形較快，隨著時間的推移，巷道圍巖位移逐漸趨近于穩定，最終巷道兩幫圍巖最大位移為97 mm，頂底板圍巖最大位移為68 mm，巷道圍巖變形得到了有效控制。

圖5 巷道圍巖變形量

4 結語

1）在煤巷掘進支護中，由于煤幫強度較小，易產生破壞，在巷道寬度一定的情況下，煤巷幫部的破壞深度影響巷道頂板的破壞高度；巷道兩幫是巷道支護設計的關鍵部位，加強兩幫的支護，可有效提高巷道的整體穩定性。

2）依據強幫固頂的原則，采用錨網索聯合支護對巷道圍巖進行支護后，巷道兩幫圍巖最大位移為97 mm，頂底板圍巖最大位移為68 mm，巷道圍巖變形得到了有效控制。