南阳煤矿回采巷道支护方案优化设计

侯晋刚， 刘永广

（1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西高平科兴南阳煤业有限公司，山西 高平 048400）

引言

煤矿安全一直是煤矿生产的重要保证，煤矿安全往往受到各种各样的因素的影响。煤矿安全的重要保障来自安全的支护技术，复杂的地质环境给矿井支护带来巨大的困难。我国煤矿的分布地形较为复杂，所以必须为矿井设计不同的支护方案，这对煤矿安全具有重要意义［1］。本支护方案主要以南阳煤矿3号煤层的3202第二回风巷为对象进行优化设计，3号煤层赋存于山西组下部，煤层厚度4.11～6.00m，平均5.25m，该煤层属全区稳定可采煤层。煤层一般含0～1层夹矸，夹矸厚度0.02～0.50m，岩性多为炭质泥岩，结构简单。该煤层顶板为细砂岩、粉砂岩、泥岩，底板为细砂岩、粉砂岩、泥岩。煤层倾角1°～7°。顶板分为基本顶、直接顶、伪顶。基本顶岩石类型为中粒砂岩，厚度为8m，岩性以石英为主，长石次之，并含黑色矿物层面，含大量云母碎片及炭质碎屑，明显斜层理；直接顶岩石类型为粗粉砂岩，厚度约为2m，岩性深灰色，较坚硬，富含植物化石及大量云母碎片，并夹菱铁矿结核；伪顶岩石类型为泥岩，厚度为0.1～0.3m，岩性为黑色，水平层理十分发育，较软，易冒落。底板分为基本底、直接底。基本底岩石类型为粗粒砂岩，厚度约为2m，岩性为致密富含植物茎化石和云母碎片，炭质碎屑底部具有波状层理；直接底岩石类型为细粉砂岩，厚度约为5m，岩性为薄层及微薄层状，不连续的缓波状层理层面有较多炭质碎屑及植物化石。

1 锚杆支护理论

1.1 组合梁理论

巷道的安全受到各个方向应力的影响，不同煤矿的巷道，甚至是同一煤矿的不同巷道的底板、顶板由不同的岩石组成。巷道的顶板有的是由层状的岩石构成，此巷道在还没有进行支护的情况下，如果顶板向下沉降，同时还伴有各层脱离，巷道会有垂直于层面的位移和平行于层面的位移，并且每个分层中会分别出现受压缩力形成的压缩区域和受拉伸力形成的拉伸区域。若使用锚杆穿透各个岩层，使各岩层紧凑挤压，会在它们之间产生较大的层间摩擦力，这样的力可以防止各层间的移动，这样一来会形成一个合成梁，该合成梁会有更强的抗压力、抗剪力，会使支护更加稳固。合成度越高，整体性就会越强。这就是锚杆支护理论中经典的组合梁支护［2］。

1.2 组合拱（压缩拱）理论

通常情况下，锚固喷浆支护（简称锚喷支护）会起到多种支护作用。但是，当巷道处于软岩的地质中时，锚喷支护的作用是使巷道顶板形成一个组合拱结构体［3］。而对于这种结构体，锚杆是主要的组成部分，由其组成组合拱结构体；同时，喷洒砼层、铺设金属网是这种组合拱结构体必要的辅助措施，它们的辅助作用主要是防止锚杆之间的比较碎小的岩石不被推挤出、松垮、脱落，从而保证这种组合拱的整体性。这种组合拱具备若干性质，其中比较重要的有两个：其一，组合拱结构体（组合拱）内部的岩石强度与没被破坏时候的强度很相似；其二，组合拱结构体的可压缩性比较大。

一些试验已经表明，如果在比较碎小的岩石中安装锚杆，同时使锚杆具有预应力，也会产生一定承载作用，在保证锚杆间距相当小的情况下，一种均匀的压缩带会在对应的岩体中形成，这种压缩带可以保证给予上方未锚固破裂的碎石相应的承受力，阻止碎石下落，这种支护理论叫组合拱支护理论［4－6］。

锚杆支护理论除了上面两种还有“刚性梁”理论、围岩松动圈支护理论、围岩强度强化理论、最大水平应力理论、悬吊理论等。

2 Flac3D数值模拟分析

FLAC是“Fast Lagrangian Analysis of Continua”的简称，也就是快速拉格朗日差分分析［7］，这个程序起初在固体力学中应用，在众多的岩体力学计算方法中，此软件已经是重要的方法之一了。Flac3D是一种三维的建模计算模拟程序，有限差分理论作为基础，为多种工程进行三维建模，尤其在煤矿巷道支护工程中，可以提供更加科学的理论支持。所以，此软件已经在煤矿巷道支护相关理论模拟计算中广泛应用［8］。

3 现有支护状况分析

本掘进面位于3201回风顺槽南侧，相距245.1m（净煤柱），与3201回风顺槽平行，巷道设计长度1 900m，方位角270°，矩形断面，宽为3.8m，高为2.8m，采用树脂加长锚固，锚网组合支护并锚索补强。巷道沿3号煤煤层顶板掘进，开口于二采区回风巷461m处西帮。基本支护方式：巷道顶板采用钢筋托梁、锚杆、锚索、钢塑网进行支护。两帮均采用锚杆、钢筋托梁、钢塑网进行支护。原始支护参数设计如图1所示：顶锚杆选用Φ22－M24－2500左旋无纵筋专用螺纹钢锚杆，间距1 100mm，排距1 000mm，一排4根，顶板两侧锚杆垂直倾斜30°；帮锚杆选用Φ22－M24－2500左旋无纵筋专用螺纹钢锚杆，间距1 200mm，排距1 000mm，一排六根，两帮两根顶角锚杆水平倾斜10°；锚索均采用Φ22－6300高强度低松驰钢绞线，沿巷中布置一排，锚索排距为3 000mm，一排一根。图1为原始支护巷道断面图。

图1 原始支护巷道断面（mm）

目前，根据现场调研情况及图2、下页图3所体现的原始支护情况，可以得出南阳煤矿3号煤层的3202第二回风巷的支护尚存有不足之处，巷道部分出现一定程度的底臌现象，顶板、两帮、地板的破坏区还比较大，顶板、两帮的锚杆支护角度有待改善。

图2 在Flac3D中的原始支护图

该巷道目前的支护方式和参数，还不能充分达到更加稳定和有效的支护，在有效控制巷道围岩变形和破坏方面还有一些优化改进的空间，建议采用更加有效的支护方式和参数，解决当前存在的问题，因地制宜的选择支护方式和支护参数，以消除目前巷道支护中存在的安全隐患。

图3 原始支护效果图

4 优化支护设计

针对原始支护中存在的缺点制定出了优化支护设计方案。基本支护方式：锚索＋锚杆＋网＋钢带。优化支护参数：顶锚杆选用Φ22－M24－2500左旋无纵筋专用螺纹钢锚杆，具体参数如图4所示：间距1 100mm，排距1 000mm，一排4根，顶板两侧锚杆垂直倾斜15°；帮锚杆选用Φ22－M24－2500左旋无纵筋专用螺纹钢锚杆，间距1 200mm，排距1 000mm，一排六根，两帮底角两根锚杆水平倾斜15°；锚索均采用Φ22－6300高强度低松驰钢绞线，沿巷中布置一排，锚索排距为3 000mm，一排一根。图4为优化支护巷道断面图。

图4 优化支护巷道断面图（mm）

当图2中的原始支护变为图5的优化支护后，优化支护效果（如图6）相对于原始支护效果（如图3）破坏区域减小，支护效果得到了改善。

5 结语

针对南阳煤矿所提出的优化支护方案，突破点主要是运用了底脚锚杆，就是底脚两根锚杆有一定的倾斜，这样可以在一定程度上减轻底臌的危害程度。经过原始支护与优化支护的对比，可以看出本优化方案具有一定的可行性。

图5 在Flac3D中的优化支护图

图6 优化支护效果图

［1］邓小宾.煤矿掘进支护问题及应对方法［J］.机械管理开发，2015（1）：108－110.

［2］徐恩虎，朱昌星.锚杆支护组合梁方法的改进及其应用［J］.矿山压力与顶板管理，2001（4）：26－27.

［3］李长文，周景林.组合拱支护理论在软岩巷道锚喷设计中应用［J］.辽宁工程技术大学学报，2004（5）：594－596.

［4］Lang.T.A.Theory and practice of rock bolting［J］.Trans.AIME.Society of Mining Engineers，1961（220）：333－348.

［5］谭学术.复合岩体力学理论及其应用［M］.北京：煤炭工业出版社，1994.

［6］朱维申，何满潮.复杂条件下围岩稳定性与岩体动态施工力学［M］.北京：科学出版社，1996.

［7］彭文斌.FLAC 3D实用教程［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［8］郭力，赵静.FLAC3D在巷道支护中的模拟分析［J］.山西焦煤科技，2011（3）：20－22.