厚煤层软岩巷道支护技术的分析

史岩鹏

（山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿， 山西 太原 030000）

引言

特厚煤层的开采是现阶段我国煤炭开采面临的重要问题。由于在开采特厚煤层时，顶煤的厚度高达数十米，当巷道的顶板为软岩时，极易发生顶板的下沉及巷道的变形，所以为了解决特厚煤层巷道软岩顶板变形大的问题，许多学者对巷道的支护设计做出了一定的研究。此前，王文才等[1]以裕丰公司矿2上煤层与2 下煤层为研究对象，利用FLAC3D 数值模拟软件对工作面每推进120 m 矿压显现进行了分析，发现煤层的裂隙发育均存在活跃期到衰减期转变。张治高等[2]为解决深部特厚煤层巷道顶板下沉量大、围岩变形量等问题，采用数值模拟与理论分析相结合研究方法，对巷道的支护参数及支护效果进行了分析，为深部特厚煤层巷道变形严重等问题的解决提供了一定的参考。贺彦龙[3]为解决虎龙沟煤矿81502 工作面顶板破碎严重的问题，提出“煤层注水+注浆+锚索吊棚+超前加长锚杆支护”联合支护方案，通过实践验证了联合支护方案的可行性，有效降低了顶板的破碎和下沉问题。马杰[4]针对软岩巷道变形大的问题，研究了大断面巷道顶板的支护技术，采用合理的支护方案对软岩顶板的支护进行了研究，为解决顶板破碎、巷道的安全提供了保障。本文以西山煤矿9 号煤层为研究对象，对厚煤层软岩巷道的支护进行分析，在原有支护方案的基础上进行支护方案的优化，为解决软岩巷道变形大的问题提供借鉴。

1 支护方案的优化设计

根据实际实际地质资料，对运输顺槽工作面进行支护优化，在原有支护方案的基础上，提出锚杆、锚索、W 钢带及金属网的联合支护方案。对支护参数进行安全计算，首先对锚杆的长度进行计算，锚杆长度过长会提升支撑成本，锚杆太短无法达到预期的支护效果，所以锚杆的长度根据公式：

式中：L1分别为锚杆的外漏长度，取0.6 m；L2为有效长度，取1.4 m；L3为锚固长度，取0.4 m；L 为锚杆设计长度，m。代入数值计算得L=2.4 m。

锚杆的间排距设计对支护的效果有着重要的影响，合理的间排距使得锚固的预紧力传递效果较好，选定锚杆间排距为0.8 m×0.8 m。

锚杆直径的选择对锚固体的抗拉抗剪应力都成正相关，锚杆直径越大，锚固体的抗剪抗拉越大，根据公式：

式中：d 为锚杆的直径，m；Q 为锚固力，取100 kN；σt为锚杆的抗拉强度，取455 MPa。经过计算锚杆的直径为16.7 mm，本文选择20 mm，根据计算得出锚杆的尺寸为Φ20 mm×2 400 mm，间排距为0.8 m×0.8 m。锚索设计的计算过程与上述类似，直接给出锚索的长度为8 m，锚索的直径悬着为17.8 mm，锚索的间排距为1.6 m×1.6 m。

根据如上所示，给出厚煤层软岩巷道的支护方案。锚杆选用左旋无纵筋螺纹锚杆，每支锚杆选用MSZ2360 和MSK2355 树脂各一支，采用150 mm×150 mm×10 mm 钢板托盘，每排锚杆为6 根。并利用W 钢带与金属网进行辅助，钢带的尺寸为250 mm×3 mm×4 200 mm。金属网的为网格50 mm×50 mm 的菱形金属网，每支锚索配合2 支Z2360 树脂药卷和一支K2335 树脂药卷，辅助一块钢板托盘。锚杆的预紧力设定为60 kN，锚索则为120 kN。两帮支护与沿用原有的支护方式。支护方案图如下页图1 所示。

图1 巷道支护示意图（单位：mm）

2 优化后的支护方案可行性研究

针对优化后的支护方式可行性进行研究，利用FLAC-3D 数值模拟软件对优化前后支护方案的优缺点进行分析，模型的尺寸为50 m×30 m×28 m，根据实际情况对模型进行设置，优化前后垂直应力分布云图如图2 所示。

根据图2 可以看出，在原有支护方案的垂直应力云图中，在巷道的两帮位置出现应力集中，应力集中出现的范围在1.5～2.8 m，且垂直应力的最大值为12.01 MPa，原有支护方式下应力集中系数为1.7。顶板的垂直应力在5.7 m 范围内降低，应力波动范围为0.4～5.0 MPa，顶板应力降低系数约为0.15～0.8 之间，巷道两帮锚固区形成的承载体承载的应力范围约为3.06～10.28 MPa，用于承载巷道变形产生的垂直应力。从优化支护后巷道的垂直应力云图可以看出，在巷帮两帮约1 m 的位置出现应力集中，应力集中区域的范围约为1.36～2.75 m，垂直应力最大值为12.37 MPa，应力的集中系数约为1.75。巷道的垂直应力在5.7 m 的范围内波动，波动范围为0.35～5 MPa，在巷道两帮的锚固区形成的承载体承载应力在2.86～12.2 MPa，可以看出优化后两帮的承载性能比优化前有了一定幅度的增强。

图2 巷道支护优化前后垂直应力（Pa）云图

为了进一步验证优化后支护方案的可行性，对现场进行矿压监测，分别选择MJ40 锚杆测力剂和LBY-3 顶板离层监测仪对巷道的应力及离层情况进行实时监测。分别在巷道两帮及巷道顶板锚杆裸露部分安装测力剂。在巷道每隔50 m 的范围内布置一个顶板离层监测仪。当离层仪测得顶板的离层高度大于60 mm 时，需要及时疏通工作人员进行维护。同时在巷道断面布置位移监测仪，分别布置在巷道断面中点位置，用于监测巷道顶板、底板及两帮的位移变化量。离层监测仪布置及巷道位移监测仪布置如下页图3 所示。

对监测数据进行分析，巷道顶板位移量为59.4 mm，巷道底板位移量为21.14 mm，巷道左右两帮位移量分别为37.68 mm 和37.96 mm，巷道两帮的移近量为75.64 mm。巷道顶板锚索测得应力分别为129.68 kN 和135.01 kN，巷道顶板锚杆测得应力分别为193.48 MPa、198.12 MPa 和203.86 MPa，两帮中部锚杆测得的最大应力分别为270.01 MPa 和274.4 MPa，上下帮锚杆手受到的最大应力分别为221.6 MPa 和195.12 MPa。顶板底板及两帮的塑性区范围分别为2.0 m、0.3 m 和1.9 m。

图3 巷道围岩变形及离层监测图（单位：mm）

3 结论

经过实测得出，支护方案优化后，特厚煤层软岩的围岩变形得到了较为有效的控制，符合矿山开采的质量标准，锚杆锚索的承载应力满足安全要求，且优化后的支护方案满足巷道的变形要求。

（编辑：赵婧）