大断面倾斜煤巷支护优化研究与应用

梁 哲

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

同样的巷道宽度，倾斜顶板巷道暴露长度比矩形巷道大许多，顶板倾斜角度大时，顶板岩层自重应力和离层阻力有一定角度，顶板岩层支护结构还会产生一定的下滑力。因此，形成这种条件下顶板和两帮的非对称破坏特征。本文对此斜顶巷道围岩变形机理进行了分析，为相似地质条件的巷道提供借鉴价值。

1 工程背景

山西长治华晟荣煤矿051508工作面位于五采区南翼四区段，工作面布置如图1所示。根据地质勘探资料可知，本煤巷所属采区范围地质条件相对较为简单，所采15号煤层平均厚度3.18m，平均倾角13°。15号煤层伪顶为泥岩，厚度0.2m，直接顶为粉砂岩，厚度1.72m，基本顶为中砂岩和细砂岩，其中中砂岩厚度12.41m，细砂岩厚度4.75m。直接底为粉砂岩和煤线，其中粉砂岩厚度1.31m，夹煤线，基本底为细砂岩，厚度3.92m。

图1 051508工作面位置示意图

2 原有支护参数

15号煤层整体是一单斜构造，平均倾向116m，平均倾角13°，巷道采用沿顶板掘进形式，因而051508机轨合一巷道设计为异矩形巷道，巷道设计宽度为4800mm，上帮高3320mm，下帮高2300mm，中高2810mm，采用锚杆、钢筋网、钢带、锚索联合支护。具体支护方案如图2所示。

图2 051508机巷原有支护方案

顶板锚杆为Ф20×2500mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距770×900mm，每排7根，靠煤柱帮侧的角锚杆与上帮距离144mm，靠下帮侧的角锚杆与下帮的距离为143mm。靠近两帮处锚杆与顶板呈60°，其余锚杆垂直顶板布置。锚索选用Ф17.8×7000mm的单体锚索，每排2根，间排距1800×2700mm。2根锚索均垂直顶板布置。

上帮支护锚杆型号选用Ф18×2000mm钢筋锚杆。一排布置2根锚杆，锚杆间排距1000×900mm，上部锚杆距顶板400mm。锚杆垂直巷帮布置。下帮支护锚杆型号选用Ф18×2000mm钢筋锚杆。一排布置3根锚杆，锚杆间排距1000×900mm，上部锚杆距顶板400mm。锚杆垂直巷帮布置。

3 倾斜煤层巷道围岩力学模型

根据斜顶巷道断面及其围岩赋存特征，建立如图3所示的倾斜顶板巷道围岩非均布载荷结构力学模型。

图3 巷道顶板围岩受力分析图

式中：

Li-机巷两帮失稳所增加的顶板实际悬露跨度值，设巷道下帮侧顶板悬露跨度为L1，巷道上帮侧顶板悬露跨度为L2，m；

q(x)-巷道顶板受到上覆岩层的非均布载荷，N/m；

H-直接顶的计算宽度，m；

2l-煤巷的宽度，m；

Hi-巷道中心线位置的高度，m；

γ-巷道的顶板倾角，（°）；

φ-煤层的内摩擦角，（°）；

a-巷道下帮高度，m；

b-巷道上帮高度，m。

由（1）式可知，当巷道煤帮软弱失稳时，导致顶板的实际悬露长度加大，而实际悬露长度的增加带来的不仅是支护难度的增加，更会导致顶板岩梁拉应力急剧增加。这亦解释了两帮失稳时，会加剧顶板的破坏程度。因此，巷道围岩控制应加强对两帮的控制。此外，Li表明倾斜顶板巷道两侧增加的悬露长度不同，在支护设计时应充分考虑。由（3）、（4）式可知，a为下帮高度要小于上帮高度b，且正弦值 sin（45° +γ-φ）小于 sin（45° +γ+φ），可以得出上帮侧顶板所需要的控制悬露跨度明显大于下帮侧顶板控制悬露跨度，顶板两侧形成显著的不对称性分布。

4 倾斜煤层巷道支护优化方向

通过对051508机巷力学分析可知，巷道的两帮及顶板承载力呈现非对称性分布，参照以往煤巷开掘的支护方案和经验，采用煤巷锚杆索联合支护技术，主要对原方案顶板锚杆、两帮底角关键部位和锚杆索间排距三点进行重点优化，在实现维护巷道顶板围岩稳定的前提下，又能同时起到节省材料，增加经济效益的目的。

4.1 优化支护方案

优化方案优先选用矿方原有的支护材料，采用锚杆、钢筋网、钢带、锚索联合支护，具体支护形式如图4所示。

图4 051508机巷不对称支护优化方案

顶板锚杆规格参数为Ф20×2400mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆。靠近上帮处顶角锚杆与顶板呈70°，靠近下帮处顶角锚杆与顶板呈60°，其余锚杆垂直顶板布置。锚索规格选用Ф17.8×6500mm的单体锚索，单体锚索采用每排2根的布置方式，间排距为1600mm×2850mm，钻孔深度为6250mm。2根锚索均垂直顶板布置。

上帮支护锚杆一排布置3根，锚杆间排距1000×950mm，上部锚杆距顶板400mm。顶板处锚杆向上倾斜10°，底板处锚杆向下倾斜10°，其余垂直布置。下帮支护锚杆一排布置2根，锚杆间排距1000×950mm，上部锚杆距顶板400mm。顶板处锚杆向上倾斜10°，底板处锚杆向下倾斜10°，其余垂直布置。

4.2 实践效果

采用优化支护方案后，在观测的近两个月中，巷道断面收敛率与原有支护条件下基本一致，两帮移近量最大不超过220mm，顶板下沉量最大不超过200mm，能满足巷道行人运输需求，巷道围岩控制效果较好。顶板离层监测结果表明，顶部松动离层值很小，顶板处于稳定状态。

5 结论

（1）倾斜煤层巷道的上帮煤体破碎程度相对严重，顶板上帮侧围岩强度相对下帮侧较低，围岩完整性相对较差，建立力学模型分析出上帮侧顶板控制悬顶面积明显大于下帮，因此需承受更大范围的围岩应力。通过对现场调研及理论分析结果，提出优化方案方向和着重支护范围。

（2）在优化支护方案实施后，应矿方需求对巷道进行了近2个月的矿压观测，结果表明优化后的支护方案起到了很好的控制该类巷道围岩稳定性的效果。