玉溪煤矿1301 工作面回风顺槽支护设计研究

马 伟

（山西兰花科技创业股份有限公司，山西 晋城 048000）

煤矿生产过程中工作面回风顺槽担负着回风、人员撤离等重要任务，回风顺槽的安全性影响着采区的正常生产[1-3]。在工作面围岩力学性质及完整性较差时，若采用的支护方案不合理，工作面巷道的顶板安全难以得到保证，严重威胁工作面的生产。因此，有必要对软弱围岩条件下的工作面回风顺槽支护设计进行研究，保证工作面巷道的顶板安全[4-5]。

1 工程概况

山西兰花科创玉溪煤矿1301 工作面位于第一盘区内，开采3#煤层。3#煤层属缓倾斜煤层，平均厚度5.85 m，含有多层夹矸。1301 工作面巷道直接顶以砂质泥岩为主，围岩稳定性较差，支护较为困难。工作面巷道布置平面图如图1。

图1 1301 工作面巷道布置平面图

2 巷道围岩基本性质

2.1 巷道围岩物理力学性质试验

在对1301 工作面回风顺槽进行支护设计前，对围岩的基本物理力学特性进行了测试。测试范围是玉溪煤矿1301 工作面3#煤层及顶板（约15 m 范围）、底板（约8 m 范围）的围岩。经现场取样，共获得3#煤及顶底板岩芯近50 m，并运至岩石力学实验室进行试验。将岩芯在切割机上按照试验规范制作成标准岩样，在实验室内通过开展单轴压缩试验和巴西劈裂试验及抗剪强度试验，来确定围岩的基本力学性质。单轴抗拉、抗压、抗剪强度试验共采用岩样94 个，其中抗拉试验32 个，抗压试验26 个，抗剪试验36 个。试验过程中部分岩样的破坏模式如图2，试验结果见表1。

表1 围岩物理力学参数

由图2 和表1 可知，岩样在单轴抗压和巴西劈裂试验中的破坏模式主要为张拉破坏，裂纹沿轴向加载方向发展。顶底板岩层中泥岩抗压强度最低，最小值为31 MPa，中粒砂岩抗压强度最高，最大值可达107.82 MPa。岩层的抗拉强度均较小，抗压强度是抗拉强度的4～20 倍，变化范围较大。

2.2 顶板岩层钻孔窥视

为充分了解围岩构造和完整性，在1301 工作面辅助运输巷道第十二联络巷顶底板布置钻孔，并采用钻孔窥视仪进行窥视，窥视结果如下。

距孔口2.7 m 范围内为煤层，2.7～2.95 m 为过渡性夹矸，煤层范围内倾斜裂隙和水平裂隙发育较多且明显，局部较破碎。距孔口2.95～3.2 m 范围为层状裂隙发育明显的泥岩，距孔口3.2～5.1 m 范围为泥岩与中细砂岩互层状结构，发育有明显的缓波状层理，但整体较完整。距孔口5.1～8.3 m 范围内为结构完整的中～细粒砂岩，局部发育有缓波状层理，未见明显的裂隙发育。距孔口8.3～18.2 m 范围为黑色泥岩，局部裂隙发育明显。距孔口8.27～8.95 m范围发育有数条较大的倾斜裂隙。距孔口9.25～9.355 m、9.6～9.85 m、11.35～11.65 m、12.65～12.85 m 范围内破碎较为明显。距孔口10.9～11.25 m 范围内发育有一条波状裂隙。距孔口18.2～18.25 m 范围为过渡性黑色岩层。距孔口18.25～18.4 m 为2#煤层。距孔口18.4～19.98 m 范围为一层具有波状层理的灰黑色泥岩，其中19.25～19.4 m 范围破碎严重。距孔口19.98～20.03 m 范围为过渡性岩层，黑色，破碎严重。距孔口20.03～21.53 m 范围为比较完整的灰黑色泥岩，波状层理发育明显。

从室内物理力学特性试验和现场钻孔窥视试验的结果分析可知，1301 工作面回风顺槽顶板完整性较差，受采动影响和风化作用，节理、裂隙较为发育。需要说明的是，由于分析的岩芯量有限，仅能反映局部的岩性，故试验得出的3#煤层及顶底板岩层物理力学参数，只能作为1301 工作面巷道支护设计的参考依据。当巷道岩性、围岩结构和地应力发生较大变化时，应对地质力学参数进行重新测定。

3 回风顺槽支护设计方案

根据1301 工作面围岩力学特性及分类，结合1301 工作面实际地质条件和现场调查情况，决定1301 工作面回风顺槽采用“锚杆+锚索+金属网+钢筋梯子梁”的联合支护方案。支护断面图如图3，具体支护参数见表2 及表3。

图3 支护断面图

表2 回风顺槽顶板锚杆、锚索支护参数

表3 回风顺槽巷帮锚杆支护参数

4 支护效果

为考察“锚杆+锚索+金属网+钢筋梯子梁”联合支护方案的支护效果，在FLAC3D中建立数值模拟模型，共划分33 360 个单元。经数值模拟计算得到回风顺槽的垂直应力云图和垂直位移云图如图4。

分析图4 可知，垂直应力主要分布在巷道两帮且靠近巷道围岩表面，最大应力集中区分布范围较小，巷道的垂直位移主要发生在巷道顶板，位移最大量约为350 mm。可见采用设计的联合支护方案，1301 回风顺槽围岩应力分布、围岩垂直位移量在可控范围内，可有效保证巷道顶板围岩安全。

5 结论

（1）针对1301 工作面围岩稳定性差的特点，开展了室内力学试验和现场钻孔窥视试验。试验结果表明，1301 工作面回风顺槽顶板完整性较差，受采动影响和风化作用，节理、裂隙较为发育，支护较为困难。

（2）基于1301 工作面围岩力学特性及分类，决定采用“锚杆+锚索+金属网+钢筋梯子梁”的联合支护方案，对支护参数进行了设计，并在FLAC3D中建立了有限元模型。分析表明，采用联合支护方案后，巷道最大应力集中区分布范围较小，且巷道垂直位移最大量约为350 mm，所采用的联合支护方案有效改善了围岩应力分布和变形量。

图4 1301 回风顺槽联合支护方案数值模拟结果