店坪煤矿9-207工作面支护技术分析

杨俊山

(霍州煤电集团 吕梁山煤电有限公司，山西 方山 033199)

在不同地质条件、顶板岩层特征、矿压显现状态下的矿井掘进巷道，围岩的变形特征也会呈现出明显的差异化。选用适合本矿井煤层巷道的支护方式、支护器材，能提高巷道的抗变形能力，有效预防顶板事故，使得支护成本降低，防止围岩事故的发生。

店坪煤矿采用“中厚煤层切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术”，降低了工人的作业量，提高了煤炭回采率，但是与普通的巷道围岩结构不同，沿空留巷围岩特征存在特殊性，所以必须对支护方案进行设计分析并实践验证，确保巷道支护具有较高的支护性能。根据店坪煤矿9-207工作面巷道围岩变形的特殊性，对最初设计的支护方案采用FLAC3D仿真计算软件进行数值模拟，并对现场监测结果进行分析，验证巷道支护设计方案的合理性。

1 店坪煤矿9-207工作面概况

店坪煤矿9-207工作面位于830水平南翼，东与830南翼轨道巷相通，西至井田边界，南为实体煤，北与9-209工作面相邻，9#煤上部主要可采煤层为5#煤层，工作面上部对应5#煤为实体煤。9#煤与5#煤垂向层间距为60～65 m，煤层平均厚度为3 m. 工作面煤体结构较稳定，整体呈一宽缓向斜构造。工作面地表沟壑纵横，无河流、水库等水体，但雨季沟内可能有部分积水渗入地下。9-207工作面平面图见图1.

图1 9-207工作面平面图

2 9-207工作面支护方案设计

2.1 顶板支护

2.1.1支护方式

工作面巷道均为矩形断面，巷净宽4.8 m，巷净高2.9 m. 顶部锚杆采用“六、六”原则支护，间排距900 mm×1 000 mm，中间两根锚杆间距为1.1 m，巷道帮锚杆采用“三、三”原则支护，间排距为1 000 mm×1 000 mm，最上一根帮锚杆距顶0.3 m. 顶锚杆采用20#左旋螺纹高强钢筋，长度为2 000 mm，钢材屈服强度为332 MPa，垫片采用d130 mm×8 mm蝶形垫片，配高强度螺母。锚杆预紧扭矩不低于280 N·m，见图2.

图2 巷道断面支护设计图

2.1.2锚索形式和规格

巷道顶板支护锚索选用低松弛高强度预应力钢绞线，d19 mm. 锚索长度达6.2 m，施工锚索钻孔d2 cm，树脂加长锚固，采用1条CK2340 和2条Z2360树脂锚固剂，锚固有效长度为2 m. 锚索支护采用“二、二”支护原则，间排距2 m，距离帮部1.5 m，排距3 m. 锚索支设于两排锚杆间的顶板中部。锚索板采用0.3 mm×0.3 mm×12 mm方形高强锚索托板，锚索张拉预紧力200～260 kN，见图3.

2.2 掘进巷帮支护

左帮锚杆采用d20 mm×2 000 mm左旋螺纹高强锚杆，钢材屈服强度为332 MPa，配高强度螺母。垫片采用d130 mm×8 mm蝶形垫片，每根锚杆采用一条CK2360型树脂锚固剂，右帮锚杆选用d16 mm×1 500 mm的普通圆型钢支护锚杆，选用钢材的屈服强度是290 MPa. 垫片采用d100 mm×6 mm蝶形垫片，每根锚杆采用一条CK2340型树脂锚固剂。

图3 巷道锚索支护平面图

3 锚杆锚索数值模拟分析

为了获得锚杆、锚索在巷道围岩支护过程中起到的作用，验证设计支护方案的合理性，应用FLAC3D仿真计算软件模拟方法，对工作面围岩支护中选用的锚杆和锚索的作用进行模拟计算。依据煤岩层实际情况，设计FLAC3D数值模型，其尺寸设计为50 m×50 m×50 m，巷宽4.8 m、巷高3.0 m. 模型底部固定约束，四周法向位移固定。垂直、水平应力分别施加16 MPa、22 MPa，采用FLAC3D软件内置的Mohr - Coulomb 模型进行计算，模型煤岩层物理力学参数见表1.

表1 数值模拟参数表

3.1 锚杆预应力数值模拟分析

对锚杆施加的预应力从最初的20 kN 升高至80 kN，锚固的范围区域不断扩大。当施加30 kN的预应力时，托板和锚固端周围出现的锚固凝聚应力环范围不是很大; 当施加力提高到50 kN时，效力区域随之变大，锚杆和锚杆之间产生的应力形成一定的叠加；当施加力提高到80 kN时，锚固段和托板之间生成压应力区，同时，锚杆之间形成了相互叠加现象。由此顶锚杆和左帮锚杆扭矩要求不低于280 N·m,右帮锚杆扭矩不得低于100 N·m.

3.2 锚杆间排距数值模拟分析

除了支护中的锚杆预应力外，另外一个重要的参数就是锚杆密度，锚杆间排距的选择影响矿井生产的经济性，选用最小的锚杆支护密度，达到稳定的支护效果一直是巷道支护追求的原则和方向。该矿非沿空留巷的巷道间排距一般为900 mm×900 mm，而9-2072巷为了留巷成功，减小巷道整修量，巷道加宽，该次设计为900 mm×1 000 mm. 锚杆支护效果对比图见图4，由图4可以看出，设计的锚杆间排距支护效果良好。

图4 锚杆支护效果对比图

3.3 锚索作用模拟分析

锚杆和锚索联合支护是现代锚杆支护中一种最常见的方式。锚索的作用主要体现在针对锚杆支护部位深度不足加以弥补，锚索不仅可以有效调动深部围岩的完整性和承载能力，还可以有效连通岩层深部和浅部的应力，使岩土承载共同体范围扩大，锚索支护效果见图5.

由图5可知，锚杆间距过大过小都是不可取的，过大支护作用效果不明显，过小支护效果反而减弱。因此，结合该矿巷道参数和整个巷道支护的安全、经济性，将锚杆的间排距均控制在0.9～1.1 m，锚索间距2 m,排距3 m.

图5 锚索支护效果图

4 现场支护效果检验

巷道施工期间，巷道表面的位移监测特别重要。因此，对巷道顶板、两帮中间部位进行持续一个月的现场监测，并绘制实测曲线图，见图6.

图6 巷道顶板离层、两帮位移实测曲线图

从图6可以看出，锚固区范围的岩层没有出现明显的离层现象，顶板锚固状况良好,两帮初期变形量较快， 但变形量不是很大，能够保证围岩的稳定，不影响巷道的安全使用。由此说明，最初的设计方案是合理有效的。

5 结 语

应用FLAC3D数值模拟软件对巷道支护设计进行数值模拟，验证了支护方案的合理性，通过对巷道变形监测点的观测，验证了支护效果稳定可靠，模拟结果符合理论分析，支护设计合理。