大采高含黃泥層頂板巷道支護設計及應用

郭 軍

（晉能控股煤業集團長治仙泉煤業有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

在煤礦井下巷道掘進支護過程中，科學合理的支護設計是確保巷道頂板安全管理和快速掘進的重要條件[1-2]，特別是對復雜頂板條件下的巷道，若支護設計不合理，將會造成巷道圍巖出現嚴重破壞變形，嚴重時可能造成巷道大面積冒落，引發頂板事故[3-4]。針對晉煤仙泉煤礦15103運輸順槽地質情況，通過對巷道礦壓特征進行分析，并對巷道支護方案進行數值模擬分析，在此基礎上提出巷道支護設計方案，取得良好的支護效果。

1 工程概況

仙泉煤礦設計年生產能力120萬t/a，井田內穩定可采煤層為3號、15號煤層。15103工作面位于井田東部，主采15號煤層，煤層厚3.7～7.15 m，平均5.20 m。工作面運輸順槽沿煤層頂板掘進施工，設計走向長1495 m，為矩形斷面，巷高3.8 m，巷寬4.9 m。15103運輸順槽直接頂板為K2灰巖，厚度5.8～9.26 m，平均厚7.73 m，以層狀結構巖層為主，層狀結構中軟弱巖層分布少，局部為泥巖，巷道在掘進過程中頂板局部出現黃泥層，厚度2.0～3.0 m。底板巖性為泥巖、砂質泥巖等，厚0.90～7.10 m，平均2.82 m。由于黃泥層結構松軟，吸水易軟化，局部孔洞發育，穩定性差；受頂板黃泥層影響，在工作面掘進施工過程注錨困難，頂板不易控制，給巷道頂板安全管理和快速掘進帶來較大困難。工作面煤層頂板綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 15103工作面煤層頂板綜合柱狀圖

2 巷道礦壓特征分析

根據15103運輸順槽煤巖層地質特征，考慮節理裂隙影響石灰巖的普氏系數fm取1，由于巷道頂板為石灰巖，加權平均普氏系數fb=fm=1.5，煤層的內摩擦角θb=tan-1fd=56.3°。

按照公式（1）計算15103運輸順槽最大片幫深度為1.15 m。

頂板不穩定巖層高度按自然平衡拱高度可按公式（2）計算：

式中：hg為頂板自然平衡拱高度，m；α為巷道掘進寬度之半，m；fd為頂板普氏系數，取2。

根據公式（2）計算得出運輸順槽頂板自然平衡拱高度為1.8m。

巷道頂壓按公式（3）計算：

式中：Qd為巷道頂壓，k N/m；γd為頂板巖體容重，取26 k N/m3。

根據公式（3）計算得出運輸順槽頂板頂壓為224.64 k N/m。

巷道側壓按公式（4）計算。

式中：Qc為巷道側壓，k N/m；γb為巷幫煤的容重，取13.8 k N/m3；b為頂板自然平衡拱高度（hg），m。

根據公式（4）計算得出運輸順槽巷幫側壓為18.02 k N/m。

根據以上分析巷道頂板受層理裂隙影響，易導致巖層裂隙發生擴張或剪切滑移、斷裂等不利現象。幫部巖層性質介于裂隙體與破碎體之間，易發生片幫、垮幫現象[5-6]。片幫、垮幫等現象的發生，會導致巷幫對巷道頂板的支撐作用減弱，使巷道有效跨度增大，從而造成頂板巖層變形加劇。

3 巷道數值模擬分析

3.1 模型的建立

本次模擬主要計算順槽開挖在無支護條件下圍巖應力分布規律、圍巖變形特征以及屈服范圍大小。數值模擬采用F LAC3D計算軟件[7-8]，建立的數值分析模型如圖2所示。

圖2 巷道數值分析模型

3.2 巷道模擬分析

3.2.1 模擬方案

通過改變巷道錨桿、錨索的長度、直徑、間排距等參數，采用2種不同支護方案進行模擬，模擬方案如下所示：

方案一：巷道錨網索支護參數見表1。

表1 巷道錨網索支護參數

方案二：巷道錨網索支護參數見表1。

表2 巷道錨網索支護參數

3.2.2 圍巖屈服破壞分析

巷道圍巖屈服破壞模擬分析變化情況如圖3所示。從圖中分析可知：巷道在不支護的條件下屈服范圍為1.5 m左右，在巷道頂板的中上部圍巖產生的屈服破壞深度范圍較大。巷道極易產生破壞，若不及時對巷道采取支護措施時，將會導致頂板大面積垮落，幫部會出現嚴重片幫現象；在支護條件下，根據錨桿支護擠壓加固理論和整體錨固原則，采用錨桿錨索聯合支護，將頂板和兩幫圍巖屈服破壞范圍形成整體錨固結構體，巷道圍巖的屈服破壞情況得到了明顯的改善。

圖3 有無支護條件下巷道圍巖屈服破壞圖

通過改變巷道錨桿、錨索的長度、直徑、間排距等參數，對2種不同支護方案進行模擬分析發現，當錨桿、錨索材質一定時，錨桿、錨索的長度、直徑越大，間排距越小，巷道圍巖屈服破壞范圍越小，越有

利于維持巷道的穩定，對支護越有利。

3.2.3 錨桿、錨索受力分析

采用錨桿錨索聯合支護后，錨索錨桿受力情況分別如圖4所示。從圖中可以看出：采用錨桿錨索聯合支護，錨索錨桿承受了直接頂、巷幫應力，增強了巷道穩定性，明顯改善巷道圍巖強度。通過改變巷道錨桿、錨索的長度、直徑、間排距等參數，對2種不同支護方案進行模擬分析發現，當錨桿、錨索材質一定時，錨桿、錨索的長度、直徑越大，間排距越小，錨桿、錨索所承受的支護阻力和錨桿支護系統剛度越大，對支護越有利。

圖4 錨索錨桿受力情況分析

3.2.4 巷道圍巖位移變化分析

如圖5和圖6所示為巷道圍巖在垂直方向和水平方向位移變化模擬分析。根據圖中分析可知，在巷道不采取支護時，其頂板下沉量最大為65.4 mm，底鼓量最大為20.5 mm；在采用支護方案一的條件下，巷道頂板下沉量最大為51.1 mm，底鼓量最大為20.1 mm；在支護方案二的條件下頂板下沉量最大為51.8 mm，底鼓量最大為20.3 mm。通過改變巷道錨桿、錨索的長度、直徑、間排距等參數，對2種不同支護方案進行模擬分析發現，當錨桿、錨索材質一定時，錨桿、錨索的長度、直徑越大，間排距越小，巷道圍巖的頂板下沉量和底鼓量越小，越有利于維持巷道的穩定，對支護越有利。

圖5 有無支護條件下巷道圍巖垂直位移變化分析

圖6 有無支護條件下巷道圍巖水平位移變化分析

4 巷道支護方案

根據上述模擬分析結果，結合工作面實際情況，巷道掘進時當頂板為黃泥層且錨桿達不到設計要求時設計巷道采用全錨索+金屬網+幫錨桿聯合支護方案（支護設計圖如圖7所示）。

圖7 工作面支護示意圖

4.1 頂板錨索支護

1）錨索形式和規格：采用型號為SK P22-1/1720的1×19股高強度低松弛鋼絞線制，Φ22 mm，抗拉強度1 720 MPa，長度4 300 mm。（可根據頂板巖層情況增加單根錨索或全部錨索長度，確保錨固段位于穩定的巖層中）。

2）錨索布置：每排布置5根錨索，間排距1 100 mm×1 200 mm，錨索垂直巷道頂板，距幫250 mm。

3）錨索錨固方式：1支規格為M SK2335，2支規格為M SZ2360（先放藥卷M SK2335，后放2支藥卷M SZ2360），鉆孔直徑為30 mm，錨固長度2.143 m。

4）錨索預緊力：不小于270 k N。

5）錨索錨固力：大于200 k N（要求礦方現場實測，達不到設計錨固力要及時調整錨固長度）。

6）錨索打注后采用2根長度不小于500 mm的10號鐵絲成正十字形對錨索托盤進行捆綁，每根鐵絲的兩端在靠近錨索托盤邊緣的網片上扭結不少于3圈，中部在錨具下方扭結錨索不少于3圈。

7）網片規格：采用Φ6.0 mm的鋼筋焊接網，網片規格為：長2.5 m，寬1.3 m，網孔規格為100 mm×100 mm。網與網之間采用雙股交替搭接形式，搭接長度100 mm，采用16號雙股聯網絲雙邊交叉連接，每隔100 mm聯接一道，每道不少于3圈。

4.2 幫錨桿支護

1）錨桿形式和規格：錨桿形式和規格：回采側幫部停采線內采用MG SL 20×2 000 mm玻璃鋼錨桿，停采線外采用M SGLW-400/20-2000 mm螺紋鋼錨桿，煤柱側幫部采用M SGLW-400/20-2000 mm螺紋鋼錨桿，桿尾高強錨桿螺母M22，型號為?20-M22-2000。

2）錨桿錨固方式：樹脂加長錨固，采用2種規格樹脂錨固劑，先放1支規格為M SK2335，再放1支規格為M SZ2360，鉆孔?30 mm，錨固長度1.317 m。

3）錨桿布置：每排4根錨桿，間排距1 100 mm×1 200 mm，靠近頂的一根頂錨桿距頂板250 mm。靠近頂底板的錨桿安設角度與水平成10°，其余與巷幫垂直。

4）錨桿預緊力矩：玻璃鋼錨桿預緊力矩為60 N·m，螺紋鋼錨桿預緊力矩不小于250 N·m。

5）錨桿錨固力：玻璃鋼錨桿錨固力為70 k N，螺紋鋼錨桿錨固力不低于130 k N（要求礦方現場實測，達不到設計錨固力要及時調整錨固長度）。

6）托盤：金屬拱形高強度托盤，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm（長×寬×厚）。

7）網片規格：高強度抗阻燃性塑料網，網幅50×1.3 m，網格40×40 mm；網與網之間采用綁絲連接，連接方式為16號雙股綁絲每100 mm連接一道；如煤幫松軟，幫錨桿另加W鋼帶托盤。

8）錨桿配件：采用螺母、阻尼墊圈和調心球型墊。

5 應用效果分析

為驗證15103運輸順槽支護方案是否達到設計支護強度要求，采用“十字”觀測法在巷道內每間隔50 m布置1個測站，通過對巷道頂底板位移量和幫部移近量情況進行定期觀測采集，對數據整理分析后繪制出如圖8所示變化曲線。

圖8 15103運輸順槽巷道頂底板及幫部移近量變化曲線圖

由圖8分析可知，巷道在開挖后20 d內圍巖頂底板位移量和幫部移近量變化較大，其中頂底板移近量達到了80 mm左右，兩幫移近量達到了40 mm左右，在20 d以后，巷道圍巖逐漸處于穩定狀態，變形量逐漸趨于平緩，最終頂底板位移量穩定在88 mm左右，兩幫移近量穩定在48 mm左右。據此分析可知，巷道圍巖變形量在可控范圍之內，支護方案滿足支護設計要求。

6 結語

1）15103運輸順槽巷道頂板受層理裂隙影響，易導致裂隙擴張或剪切滑移、斷裂等不利現象。幫部巖性介于裂隙體與破碎體之間，易發生片幫、垮幫現象。片幫、垮幫等現象的發生，會削弱巷幫對頂板的支撐作用，使巷道有效跨度增大、頂板巖層變形加劇。

2）采用新設計的支護方案后，15103運輸順槽巷道圍巖頂底板和兩幫變形量均在可控范圍之內，巷道結構整體性較好，巷道圍巖變形得到有效控制。