坚硬直接顶大断面煤巷围岩支护方案设计

李斌 张余成

摘 要：本文以平安煤业15#煤层的赋存特点及煤巷尺寸为基础，采用FLAC建立数值模型，对巷道锚杆的排距、间距及长度进行数值分析，指导设计了坚硬直接顶大断面煤巷的围岩支护方案。

关键词：坚硬直接顶；大断面；煤巷；支护方案；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.051

1 工程地质概况

1.1 工程条件

山西寿阳段王集团平安煤业有限公司目前主采15#煤层，煤层基本赋存稳定、含3～5层夹矸，结构复杂，普氏硬度系数f为1～1.5。煤层倾角2°～22°，平均10°；煤层厚度为4.49～5.85m，平均4.54m，。直接顶为3.62m粗砂岩，局部为石灰岩，老顶为6.39m细砂岩；直接底为2.03m泥岩。但根据150109回采工作面及150111掘进工作面实际揭露，工作面西部局部顶板岩层缺失，为黄土层；且局部距离风氧化带较近，矿压较为明显。因此需要加强采区顶板管理，提高支护安全及质量。

1.2 工程特点与难点

依据平安矿提供相关资料以及中国矿业大学围岩控制课题组实地调研与现场试验获取的相关数据，15#煤层顶板支护方面具有以下特点与难点：

（1）直接顶坚硬：直接顶为粗砂岩，局部为石灰岩，完整性较好，坚硬的直接顶大大加长了锚杆、锚索支护的施工时间，降低掘进速度。

（2）巷道尺寸大：为满足生产系统要求，巷道尺寸设计为宽×高=4.5m×2.8m。大断面煤巷周边围岩破裂、松动范围较大，围岩变形破坏更加严重。

（3）两帮变形大：由于坚硬的直接顶，使巷道上覆载荷直接传递到巷道两帮，使两帮煤壁破碎片帮严重。

2 数值模拟

建立FLAC数值模型，模型尺寸宽×高=34.5m×37.5m，共划分10350个单元。以15#煤赋存条件和煤巷尺寸为基础，选取煤层及其顶底板力学参数，设置巷道开挖尺寸为宽×高=4.5m×2.8m。根据15#煤层埋深，在模型上边界和底部施加岩层的自重应力，应力大小分别为6.17MPa和7.12MPa，水平方向应力梯度为25KPa/m。

2.1 锚杆排距数值模拟分析

结合以往生产经验，选取600mm、800mm、1000mm、1200mm、1400mm五种不同排距，模拟不同排距下的巷道变形量，所得规律如图1所示。

由上图可知，排距对锚杆支护效果的影响十分明显，相同条件下，锚杆排距越小支护密度越大，围岩变形量也就越小。当排距超过1200mm时，围岩变形十分显著，尤其是巷道底鼓，变形量接近1m，围岩支护效果与无支护差别不大。当排距为1000mm以下时，围岩变形量明显得到有效改善。但随着排距的进一步缩小，围岩变形量的减小幅度并不明显，尤其是巷道帮部，围岩变形量减小仅为50mm左右，可认为此时的围岩支护强度已接近饱和状态。

综上，当锚杆排距为1000mm时，巷道的顶板及两帮即可得到有效控制，虽然底鼓仍比较大，但起底后不影响生产，且维修成本并不高。而排距进一步减小虽然能使围岩变形量进一步改善，但效果不大，支护成本却增加显著，相比较而言性价比较低。因此，确定巷道初始掘进时的锚杆排距为1000mm。

2.2 锚杆间距数值模拟分析

由于巷道尺寸已经确定，锚杆的间距可以根据锚杆的根数来确定并相应调整。根据以往经验，选取3-4-4、3-5-4、5-6-5、6-7-6等四种间距，分别模拟不同锚杆间距时的巷道变形量。每种方案的3个数字分别代表实体煤帮、顶板和采空区帮的锚杆数，如“3-4-4”代表实体煤帮布置3根锚杆、顶板布置4根锚杆、采空区帮布置4根锚杆。模拟结果如图2所示。

由图可知，在相同条件下，锚杆的间距越小需要的锚杆数量越多，围岩的承载性能也就越高。当锚杆密度小于“3-5-4”时，巷道变形量仍较大；而进一步减小锚杆间距，即增加锚杆数量时，仅巷道底鼓得到有效改善，而顶板及两帮的变形量变化很小，不足50mm。因此，也可认为当锚杆支护密度大于“3-5-4”型时，围岩承载性能近于饱和。从围岩控制的成效比考虑，此类条件下锚杆布置形式选择“3-5-4”型比较合理，即锚杆间距为：实体煤帮布置3根锚杆，间距1000mm；顶板布置5根锚杆，间距900mm；采空区帮布置4根锚杆，间距900mm。

2.3 锚杆长度模拟分析

结合上述分析结果对锚杆长度进行数值模拟研究，设置锚杆长度分别为2.2、2.5、2.8m三个方案，模拟结果如图3所示。

从模拟结果来看，锚杆长度从2.2m增大到2.8m，巷道最大变形量由400mm降低到280mm，适当增大锚杆长度有利于控制巷道围岩变形，有利于降低围岩应力集中程度，控制巷道浅部围岩破碎区向深

部扩展。因此，确定巷道掘进初期顶板锚杆长度为2.8m。

3 围岩支护方案设计

根据上述数值模拟结果，设计此类地质条件下巷道支护方案为：

（1）顶板布置5根锚杆，间距900mm，排距1000mm，靠近巷帮的顶板锚杆安设角度为与铅垂线成15°。

（2）采空区侧帮部布置4根锚杆，间距900mm，排距1000mm，靠近顶、底板的帮部锚杆安设角度为与水平线成15°。

（3）实煤体帮部布置3根锚杆，間距1000mm，排距1000mm，靠近顶、底板的帮部锚杆安设角度为与水平线成15°。

（4）锚杆长度为2.8m，直径为22mm，锚杆初始预紧为80kN。

（5）锚杆配套120×100×10mm蝶形托盘，每孔装一根CK2335树脂药卷和一根Z2350树脂药卷。

（6）顶板每隔一排锚杆布置一组锚索，一组锚索包括2根，即呈“2-0-2”式布置，锚索布置的间排距为1800×1800mm。规格Φ15.2×6300mm，与铅垂线成20°安设，配套250×250×12mm的托盘，每孔装一根CK2335树脂药卷和两根Z2350树脂药卷。

（7）顶板采用网孔大小为100×100mm的钢筋网护表，帮部采用网孔规格60×60mm的菱形网护表。

（8）在断层、陷落柱构造带影响区域，将排距减小到800mm，增加顶板锚索数量，使其呈“2-1-2”式布置。

4 结语

根据平安煤业15#煤赋存特点，结合煤巷尺寸，利用FLAC数值模拟的方法，确定了锚杆支护方案的排距、间距和锚杆长度，在此基础上，设计了坚硬直接顶大断面煤巷的围岩支护方案。

参考文献：

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