矩形煤巷稳定性分析及支护对策研究

贾海成

（河北冀中能源股份有限公司段王煤业集团，山西寿阳 045400）

随着国民经济的发展，煤炭需求量逐年增加，巷道作为煤矿系统运行的“生命大动脉”，其稳定性如何直接决定了系统能否正常运行。在煤矿井下现场生产过程中，由于地质条件复杂多变，巷道的支护难度越来越大。因此，必须采用科学的支护手段来保证煤巷的稳定。在现场实践中发现，煤巷两帮变形、破坏对巷道整体稳定性具有重要影响［1-2］。本文在借鉴学习前人研究成果的基础上［3-4］，以段王煤矿090509 皮带巷为工程背景，研究两帮支护对巷道围岩变形的影响，并依据强帮固顶的原则，提出采用锚网索联合支护方案，并应用于井下煤巷掘进。

1 工程概况

段王煤矿090509 工作面位于0105 采区东翼，工作面以东为井田边界，以南为未开拓区，以西为0105 采区巷道，以北为正在开采的090507 工作面。090509 皮带巷与090507 回采工作面平行布置，开口位置于一水平集中轨道巷东侧，按方位角90°掘进96.2 m后，改按方位角215°施工28.2 m与一水平集中回风巷II 贯通，形成独立通风系统；然后按方位角90°继续向前掘进，设计掘进长度2 539.1 m（平距），巷道总工程量为2 667.3 m（平距）。090509 工作面皮带巷平面布置见图1。

图1 090509 工作面皮带巷平面布置

090509 皮带巷巷道断面为矩形。巷道按照地测科所放设中、腰线开口施工。巷道沿9 号煤煤层顶板掘进，其中9 号煤层直接顶为6.88 m厚的泥岩，老顶为7.92 m厚的中粒砂岩，直接底为6.95 m的细粒砂岩，老底为8.25 m砂质泥岩。090509 工作面皮带巷技术特征见表1。

表1 090509 工作面皮带巷技术特征

2 矩形煤巷围岩稳定性分析及支护对策

2.1 巷道围岩稳定性

巷道未开挖前，围岩处于天然平衡状态。但随着巷道的开挖，巷道围岩应力场受到破坏，其围岩由三向应力状态转为二向受力状态，围岩应力重新分布。对于煤巷而言，巷道两帮与顶板煤岩层的交界处常出现应力集中，并在高应力作用下会发生变形破坏。

巷道两帮煤体在垂直应力和水平应力共同作用下，向临空面产生较大的位移，出现鼓帮、片帮等破坏现象［3］。巷道两帮的失稳，对顶板的支撑作用降低，造成巷道的整体失稳。巷道两帮的破坏深度h由式（1）确定。

式中：H为巷道高度；Φ为为两帮围岩内摩擦角。

在矩形煤层巷道支护过程中，松软煤帮的破坏相当于增大了巷道的有效宽度，巷道宽度的增加将加大巷道顶板的支护难度，加大顶板的破坏范围。顶板的破坏高度b，即为普氏平衡拱拱高度，由式（2）确定，顶底板破坏范围见图2。

式中：b为普氏平衡拱拱高度；f为岩石普氏系数。

图2 巷道顶底板破坏

把式（1）带入式（2）得到式（3）：

通过式（1）、（2）、（3）中可以发现，巷道两帮煤体的内摩擦角越小，巷道两帮的破坏深度越大；在巷道宽度一定的情况下，两巷帮部的破坏深度直接影响巷道顶板的破坏高度。因此，巷道两帮是巷道支护设计的关键部位，提高巷道两帮的支护强度，可以有效减小两帮的破坏深度，进而减少巷道的顶板破坏高度，从而维护巷道围岩的整体稳定。

2.2 巷道支护对策

根据煤层巷道的赋存状态和矿压显现特点，单仁亮［5］等提出了加强巷道帮部支护的方法，从而达到控制巷道围岩稳定的目的。煤层巷道在施工过程中，当煤巷断面为矩形时，两帮为实体煤，强度较低，首先会出现塑性变形，直至导致巷道围岩整体发生失稳。

合理的支护方式能维护巷道的整体稳定。采用锚网索联合支护的支护方式时，单根锚杆形成以两端为顶点的中间压缩区域； 多根锚杆共同作用，形成一个中间压缩区域的压缩带见图3，可有效提高巷道两帮煤体的强度，起到改善发生塑性变形和破坏的煤体力学性质的作用，避免巷道两帮煤体发生失稳。顶板采用锚索加固，可以充分发挥锚索锚固深度大、承载能力高等作用。采用锚网索联合支护使支护系统和巷道围岩形成一个有机整体，维护巷道围岩的稳定［6］。

图3 帮部钢筋梯子梁锚杆锚固作用

3 巷道支护设计及效果分析

3.1 巷道围岩支护设计

依据强帮固顶的原则，对段王煤矿090509 工作面皮带巷支护参数进行设计。结合现场，可以得到以下参数：巷道宽度为B=4.7 m，高度为H=3.6 m，围岩内摩擦角Φ=71.56°，岩石普氏系数f=3，分别代入式（1）、式（2）计算，两帮的破坏深度为0.568 m，顶板的破坏高度为0.939 m。

依据锚网索设计原则及该矿已有的支护经验，设计帮锚杆规格为Φ16 mm×1 800 mm，帮锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm；顶锚杆规格为Φ18 mm×2 200 mm，顶锚杆间排距为860 mm×1 000 mm。锚索规格为Φ15.24 mm×6 800 mm钢绞线，锚索自巷中按间排距1 290 mm×2 000 mm进行支护，每排3 根（锚索打设在钢带上，中间锚索打设在巷道正中，另两根安设处代替两根顶锚杆）。090509 工作面皮带巷支护设计见图4。

图4 皮带巷支护设计

3.2 支护效果分析

采用“十字法”对巷道围岩位移进行监测发现，前期巷道围岩变形较快，随着时间的推移，巷道围岩位移逐渐趋近于稳定，最终巷道两帮围岩最大位移为97 mm，顶底板围岩最大位移为68 mm，巷道围岩变形得到了有效控制。

图5 巷道围岩变形量

4 结语

1）在煤巷掘进支护中，由于煤帮强度较小，易产生破坏，在巷道宽度一定的情况下，煤巷帮部的破坏深度影响巷道顶板的破坏高度；巷道两帮是巷道支护设计的关键部位，加强两帮的支护，可有效提高巷道的整体稳定性。

2）依据强帮固顶的原则，采用锚网索联合支护对巷道围岩进行支护后，巷道两帮围岩最大位移为97 mm，顶底板围岩最大位移为68 mm，巷道围岩变形得到了有效控制。