回采巷道超前支護參數研究

張付平

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司， 山西 晉城 048027）

引言

回采巷道是綜采工作面生產、運輸及通風的重要通道，對工作面安全生產局域重要意義。工作面附近超前段一定區域巷道圍巖應力復雜，受采動影響大，容易發生變形破壞，因此應對該區域進行加強支護?！睹旱V安全規程》規定，巷道超前支護長度不低于20 m。本文以莒山礦3 號煤層3007 工作面回風順槽為工程背景，對順槽超前支護參數進行詳細分析，確定了合理的超前支護強度。

1 3007 回風順工程概況

3007 回風順槽位于3007 綜采工作面北部，巷道設計為矩形斷面，掘進寬度為3.2 m，掘進高度為2.6 m，凈寬3.0 m，凈高2.4 m，巷道上部為泥巖及砂質泥巖，平均厚度為9.27 m，巷道底板為黑色泥巖，平均厚度為3.07 m。巷道原始支護方案為錨桿及錨索聯合支護，頂板及兩幫錨桿規格均為Φ22 mm×1 800 mm，頂板間排距為900 mm×900 mm，兩幫間排距為900 mm×800 mm；巷道頂板中部布置1 根Φ17.8 mm×5 300 mm 的錨索，排距為1 800 mm。巷道錨桿支護斷面如圖1 所示。

2 超前應力分布規律分析

通過現場監測回復順槽內超前立柱應力與工作面變化關系曲線，由圖2 可知，在工作面附近立柱應力約為26 MPa，應力峰值位于工作面前方9 m 處，最大應力為31.5 MPa，隨著遠離工作面立柱應力逐漸減小，在工作面前方約27 m 時應力處于基本穩定狀態，約為22.5 MPa。根據《煤礦安全規程》及實際監測綜合考慮，取超前支護范圍為工作面前方30 m[1-2]。

圖1 巷道錨桿支護斷面（單位：mm）

圖2 超前應力曲線

3 超前支護參數分析

3.1 理論分析

巷道在掘進之前，巖層處于穩定平衡狀態，隨成巷后上覆巖層應力會發生重新分布，在巷道頂板上部一定區域內會形成相對穩定的平衡拱，根據自然平衡拱理論，超前支護強度不小于成拱高度范圍內巖層自重[6-8]。

式中：a 為自然平衡拱的最大跨度，可按式（2）計算，f為掘進影響后圍巖硬度系數，根據測量取1.75。

式中：c 為二分之一巷寬，1.6 m；H 為巷高，2.6 m；φ為內摩擦角，28°。

巷道頂板應力如下式所示：

式中：K1為上一工作面回采后采空區側向參與影響系數，取1.7；K2為3007 工作面回采期間采動影響系數，取1.8； 將各參數代入計算得q=134.64 kPa。綜合考慮，確定超前支護參數為135 kPa。

圖3 巷道圍巖力學模型

3.2 數值模擬

為驗證超前支護強度的合理性，采用FLAC-3D數值模擬軟件進行分析，根據實際開采地質條件建立數值計算模型，模型長300 m，寬250 m，底部限制垂直位移，四周限制水平位移，模型頂部上覆巖層用均布載荷，模擬過程中巷道超前支護強度通過對頂板施加0.125 MPa 的面力予以模擬。模型物理力學參數如表1 所示。

圖4 為數值模擬所得3007 回風順槽位移云圖，有圖可知巷道頂板最大位移為22.35 mm，位于巷道頂板中部，兩幫最大位移為17.5 mm，位于巷道幫部靠近頂板位置，巷道圍巖變形量較小，均在可控范圍內，表明超前支護強度設計合理，可以滿足3007 回風順槽超前支護要求[3-5]。

4 結語

結合莒山礦3007 綜采工作面回風順槽實際工程地質條件，采用現場實測分析巷道超前支撐應力分布規律，在此基礎上通過理論分析確定巷道超前支護參數，并通過數值模擬進行驗證性研究，為后續支護超前支架的采購和選型提供參考。

表1 煤巖體物理力學參數

圖4 巷道圍巖位移云圖