12301工作面回采巷道支护技术研究

王 鑫

（霍州煤电集团团柏煤矿，山西 霍州 031400）

1 工作面概况

某矿12301工作面位于123盘区，北面为12303工作面，南面为12109工作面采空区，西面为123盘区边界。工作面主采2#煤层，煤层厚度5.8～6.3m，平均为6.15m，属于近水平煤层，煤层结构复杂，一般含1～2层炭质泥岩、泥岩夹矸。在受构造影响地段煤层厚度变化较大。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况表

根据12301工作面实际揭露资料，在12301切眼处揭露f301-1 H=0.6m∠65°断层，该断层对工作面回采影响不大。12301工作面长度为260m，推进长度为1321m。

2 巷道支护分析

2.1 理论研究

12301工作面2#煤层回采巷道的突出特点是其顶板较硬、强度高、厚度大、整体性好。根据该矿2#煤顶底板赋存特点，故将巷道的力学模型简化为平面固支或者简支的深梁模型，模型受力状态为两端约束，上覆岩层视为均布荷载，均匀的作用在深梁结构上，如图1为固支梁模型。

图1 巷道顶板的固支梁模型

对于通常的长梁，可以采用材料力学解答进行求解，但是对于较深的梁，则需要考虑修正项[1]。因此选用固支边界条件下梁内应力分量的弹性力学表达式进行求解。

考虑到一般长梁结构的断裂危险点处于梁长度尺寸的中间靠下边界位置，可以根据一般长梁最易破断位置应力特点，对深梁结构断裂危险点及极限厚度进行计算[2～4]。由对称性可知，梁的中间下边界位置剪应力为零，梁截面（0，h/2）处的水平拉应力分量即为该位置的最大主应力σ1，由此得到深梁结构相应位置处的拉应力为：

根据材料的最大拉应力强度理论可知，顶板不发生断裂的安全厚度应满足下式[5]：

式中：[σt]为顶板岩层抗拉强度极限，灰岩取4.2MPa。

代入计算，得到固支边界条件下顶板极限厚度为：

类似于固支条件下深梁破断特征的讨论，简支条件下深梁应力分量弹性力学表达式为[6]：

简支梁条件下顶板极限厚度为：

2#煤上覆顶板厚度平均为10.13m，直接顶不会发生拉裂，巷道可以对顶板进行简单支护或者不支护，也能保持巷道的稳定。

2.2 模拟分析

利用数值模拟，分析、评价初步设计的支护方案及支护参数的可行性与可靠程度，进行方案优选。

1）模拟方案。采用有限差分数值计算软件FLAC3D，将较长巷道作为平面应变问题处理，建立薄板数值计算模型宽×高×厚=50 m×50 m×5m。模型底部限制节点全部位移，4个侧面限制节点水平方向位移，上部施以p=γH的应力。

坚硬顶板条件下，顶板不同支护方式对巷道稳定性的影响，支护方式分别为顶板无支护、锚索支护、锚网索支护，巷帮采用锚网支护，支护参数见表2。

表2 不同支护参数设计表

2）塑性区效果。顶板采用无支护、锚索支护、锚杆索支护时围岩的塑性区分布如图2所示。

图2 围岩塑性区分布图

不同支护条件下的巷道开挖后，两帮浅部均出现小范围的拉破坏区域，其余都是压减破坏。随着支护强度的提高，顶板中塑性屈服区域逐渐减小，转变为弹性状态。

3）巷道收敛变形效果顶板采用无支护、锚索支护、锚杆索支护时巷道收敛变形如图3所示。

图3 巷道收敛变形图

由图3可知，随着支护强度的提高，巷道掘进后顶板最大变形量逐渐减小，两帮与底板位移也有小幅度减小。巷道顶板无支护条件下，顶板下沉量9.97mm，底臌量5.36mm，两帮移近量16.78mm；顶板锚索支护条件下，顶板下沉量8.89mm，底臌量5.34mm，两帮移近量16.31mm；锚杆索支护条件下，顶板下沉量6.87mm，底臌量5.32mm，两帮移近量15.98mm。

综合分析模拟结果，相比于顶板无支护的巷道，采用锚索支护和锚杆索支护，顶板塑性区范围分别减小了18.2%和63.6%；顶板下沉量分别减少了10.8%和31.1%。由此可知，使用锚杆索支护对巷道稳定性提升明显，此类顶板可采用锚杆索支护。

3 支护方案与应用监测

3.1 支护方案

支护方案的设计应当因地制宜，12031工作面回采巷道顶板坚硬强度高、厚度大、整体性好，且巷道设计断面小，当工作面回采巷道沿灰岩顶板掘进时，巷道的自稳能力较强。对于顶板回采巷道，如果支护方案富裕系数过大，不仅增加成本，而且由于顶板难于钻孔，将严重降低支护及掘进效率；厚硬顶板巷道围岩变形能主要由两帮及底板释放，如果顶板支护不当，两帮内挤变形和底鼓严重，影响巷道正常使用，并可能最终导致巷道失稳。工作面回采巷道的突出特点是其顶板强度高、厚度大、整体性好。针对这一特点，通过理论分析和数值模拟相结合的方法进行支护设计，根据现场情况，确定合理的支护方案及支护参数见表3。

表3 支护参数建议表

3.2 应用监测

巷道顶板离层通过在顶板相近位置布置长、短两根锚索的方式进行测量。具体方法为：先在顶板中线附近打设两个锚索钻孔，钻孔深度为2.5m和5m，分别作为顶板离层监测的浅基点和深基点；然后将2.5m和5m长的锚索放入钻孔中锚固；最后，用强力粘结剂将钢尺粘贴在锚索外端向外探出孔口，在孔口设置标记用于读数，并记录初始刻度。读数时，由于顶板受力产生离层，钢尺与孔口标志产生相对位移，通过计算当前读数与初始读数差值即可得出顶板离层情况。测量原理如图4所示。底板采用类似的原理埋设单根2m长的锚杆，锚杆外露200～300mm，用于测量底板位移。

图4 顶板离层监测原理图

12301工作面运输巷相比回风巷顶板下沉量较小，顶板下沉量最大为159mm，176mm，两帮移近量14.53mm，锚杆索支护对巷道稳定性有明显提升。

4 结 语

12301工作面2#煤层回采巷道的突出特点是其顶板较硬、强度高、厚度大、整体性好，通过将巷道的力学模型简化为平面固支或者简支的深梁模型进行理论研究以及结合模拟软件分析，采用锚杆索方式支护能够保证巷道在回采期间的稳定性，可满足巷道的服务年限。