小峪煤矿8104工作面进风巷支护设计探索

王 伟

（晋能控股煤业集团朔煤小峪煤业有限公司，山西 朔州 038300）

我国煤矿以井工开采方式为主[1-4]，回采巷道是矿井较易发生冒顶片帮等安全事故的场所之一。因此，维持回采巷道的稳定是矿井安全生产的重要保障[5-7]。本文以同煤集团朔州煤电公司小峪煤矿8104 工作面进风巷为背景，通过数值模拟方法对比了3 种支护方案条件下巷道围岩塑性区分布、应力分布及位移情况，确定了巷道支护参数，也为同类巷道支护设计提供了借鉴。

1 工程概况

同煤集团朔州煤电公司小峪煤矿位于大同市怀仁境内。矿井当前主采19#煤层，19#煤层平均厚7.94 m。煤层结构从上到下分别为“糟糕煤”、泥岩、“尺八煤”、高岭岩，“四四煤”，上段“糟糕煤”平均厚3.35 m，泥岩平均厚0.20 m。中段“尺八煤”平均厚0.42 m，高岭岩平均厚1.44 m，下段 “四四煤”平均厚2.53 m。煤层直接顶为砂质泥岩，普氏硬度系数3～5，直接底为砂质泥岩，普氏硬度系数3～5、老底为中粒砂岩，普氏硬度系数4～6，见表1。

表1 煤层顶底板情况

8104 工作面进风巷设计长度为860 m，巷道断面尺寸为5.4 m×4.0 m。巷道对应地表位于水泉沟、大黄沟北部，大西沟西部，上部有大西沟支沟发育，无任何建筑物。地面标高+1 341～+1 295 m，巷道标高+1 137～+1 145 m。

2 巷道支护方案模拟研究

2.1 数值模型的建立

根据8104 工作面进风巷顶底板岩层岩性及厚度特征，建立数值计算模型[6-7]。数值计算模型尺寸为42 m×42 m×50 m，模型上边界施加4.5 MPa（180 m×25 000 kN/m3）垂直应力模拟上覆岩层作用于模型上边界的重力，其他边界为位移边界。采用摩尔-库伦本构模型，煤岩层力学参数见表2。

表2 煤岩物理力学参数

结合该矿19#煤层其他工作面回采巷道支护情况，决定采用“锚杆+锚索+金属网” 联合支护方式。目前，小峪煤矿常用锚杆长度分别为2.4 m 和2.8 m，锚索长度分别为8 m 和10 m。根据小峪煤矿现有锚杆/索的长度及邻近工作面支护参数设置情况，分别设计不同锚杆长度及预紧力条件下的三种方案，见表3。

表3 模拟支护设计方案

2.2 模拟结果分析

（1）巷道塑性区分布

不同支护方案条件下巷道塑性区分布见图1。由图1可知，支护方案3 条件下，由于巷道支护程度最低，巷道围岩塑性区最为发育，塑性区呈蝶形。支护方案1 及方案2 条件下，巷道两帮处的塑性区范围较小，但塑性区深度与方案3 基本相同。而方案1 及方案2 条件下巷道顶板及底板围岩塑性区范围及深度均小于方案3。相较于方案3，方案1 条件下巷道围岩塑性区范围减小了23%，方案2 条件下巷道围岩塑性区范围减小了14%。

图1 不同支护方案条件下巷道塑性区分布

（2）巷道围岩应力分布

不同支护方案条件下巷道围岩应力分布情况见图2。由图2可知，支护方案3 条件下，巷道围岩应力集中程度最为严重，最大应力位于巷道顶板，达到5.7 MPa，而巷道两帮围岩应力为1.6 MPa。相较于支护方案3，方案1 及方案2 条件下围岩应力集中程度大大降低，同时应力集中范围也大大减小；支护方案1 条件下，最大应力为4.0 MPa，支护方案2 条件下，最大应力为4.3 MPa，两者相差较小。这说明，相较于锚杆/索的长度因素，锚杆/索的预紧力为影响巷道围岩应力分布的次要因素。

图2 不同支护方案条件下巷道围岩应力分布（单位/MPa）

（3）巷道围岩位移情况

不同支护方案条件下巷道围岩变形情况见图3。由图3可知，3 种支护方案条件下，巷道围岩变形主要发生在巷道两帮，而巷道顶底板变形较小。支护方案3 条件下，巷道围岩变形最为严重，巷道两帮最大的变形量为380 mm；而支护方案1 及方案2条件下，巷道两帮位移分别为130 mm 及280 mm。这说明加长锚杆/索长度虽然可以在一定程度上改善巷道围岩应力集中情况，但对于巷道围岩变形的控制能力较差。

图3 不同支护方案条件下巷道围岩变形情况（单位/mm）

3 现场应用

根据上述模拟结果，矿方采用了支护方案1 所示的支护参数。分别在巷道顶板布置锚杆5 根、锚索2 根，锚杆材料为18 mm 左旋螺纹钢，长度为2 800 mm，间排距为1 150 mm×1 500 mm，巷道两端锚杆分别向巷道外侧倾斜20°布置，其余锚杆则垂直于顶板布置。锚索材料为直径18 mm 钢绞线，长度为10 000 mm，间排距为2 300 mm×1 500 mm。巷道靠工作面煤体帮采用玻璃钢锚杆，靠煤柱煤体帮采用左旋螺纹钢锚杆，参数与顶板锚杆一致，并在正帮吊挂锚网以防破碎煤岩掉落而造成安全事故，见图4。

图4 巷道支护设计

为验证巷道支护效果，分别在巷道两帮和顶板布置位移测站。8104 工作面生产期间分别对巷道顶板移近量及两帮移近量进行监测，围岩变形监测结果见图5。由图5可知，在距工作面煤壁距离大于40 m 时，巷道围岩基本没有受到超前支承压力影响而发生严重变形，巷道顶板移近量及两帮移近量仅表现为缓慢增加。这表明该支护设计下巷道围岩得到了有效控制，围岩没有发生进一步的变形及破坏。当工作面距离巷道小于40 m 时，巷道开始受超前支承压力影响而发生较大程度的变形。当工作面到达测站位置时，巷道顶板最大移近量达到93.6 mm，两帮最大移近量达到70.8 mm，围岩变形速度增长仍能够得到很好的控制，表明现有支护能够保证巷道围岩稳定性。

图5 测点距工作面不同距离时围岩变形量

4 结语

巷道围岩应力受锚杆/索长度影响较大，增大锚杆/索长度可以有效控制巷道围岩应力集中程度；而锚杆/索预紧力对巷道围岩应力集中程度影响较小。但锚杆/索长度及预紧力在控制巷道围岩变形方面均能够起到明显作用。现场对8104 工作面开采期间巷道围岩变形量进行监测，结果表明，巷道顶板最大移近量为93.6 mm，两帮最大移近量为70.8 mm，说明现有支护能够较好维持巷道围岩的稳定性。