大采高含黄泥层顶板巷道支护设计及应用

郭 军

（晋能控股煤业集团长治仙泉煤业有限公司，山西 长治 046000）

0 引言

在煤矿井下巷道掘进支护过程中，科学合理的支护设计是确保巷道顶板安全管理和快速掘进的重要条件[1-2]，特别是对复杂顶板条件下的巷道，若支护设计不合理，将会造成巷道围岩出现严重破坏变形，严重时可能造成巷道大面积冒落，引发顶板事故[3-4]。针对晋煤仙泉煤矿15103运输顺槽地质情况，通过对巷道矿压特征进行分析，并对巷道支护方案进行数值模拟分析，在此基础上提出巷道支护设计方案，取得良好的支护效果。

1 工程概况

仙泉煤矿设计年生产能力120万t/a，井田内稳定可采煤层为3号、15号煤层。15103工作面位于井田东部，主采15号煤层，煤层厚3.7～7.15 m，平均5.20 m。工作面运输顺槽沿煤层顶板掘进施工，设计走向长1495 m，为矩形断面，巷高3.8 m，巷宽4.9 m。15103运输顺槽直接顶板为K2灰岩，厚度5.8～9.26 m，平均厚7.73 m，以层状结构岩层为主，层状结构中软弱岩层分布少，局部为泥岩，巷道在掘进过程中顶板局部出现黄泥层，厚度2.0～3.0 m。底板岩性为泥岩、砂质泥岩等，厚0.90～7.10 m，平均2.82 m。由于黄泥层结构松软，吸水易软化，局部孔洞发育，稳定性差；受顶板黄泥层影响，在工作面掘进施工过程注锚困难，顶板不易控制，给巷道顶板安全管理和快速掘进带来较大困难。工作面煤层顶板综合柱状图如图1所示。

图1 15103工作面煤层顶板综合柱状图

2 巷道矿压特征分析

根据15103运输顺槽煤岩层地质特征，考虑节理裂隙影响石灰岩的普氏系数fm取1，由于巷道顶板为石灰岩，加权平均普氏系数fb=fm=1.5，煤层的内摩擦角θb=tan-1fd=56.3°。

按照公式（1）计算15103运输顺槽最大片帮深度为1.15 m。

顶板不稳定岩层高度按自然平衡拱高度可按公式（2）计算：

式中：hg为顶板自然平衡拱高度，m；α为巷道掘进宽度之半，m；fd为顶板普氏系数，取2。

根据公式（2）计算得出运输顺槽顶板自然平衡拱高度为1.8m。

巷道顶压按公式（3）计算：

式中：Qd为巷道顶压，k N/m；γd为顶板岩体容重，取26 k N/m3。

根据公式（3）计算得出运输顺槽顶板顶压为224.64 k N/m。

巷道侧压按公式（4）计算。

式中：Qc为巷道侧压，k N/m；γb为巷帮煤的容重，取13.8 k N/m3；b为顶板自然平衡拱高度（hg），m。

根据公式（4）计算得出运输顺槽巷帮侧压为18.02 k N/m。

根据以上分析巷道顶板受层理裂隙影响，易导致岩层裂隙发生扩张或剪切滑移、断裂等不利现象。帮部岩层性质介于裂隙体与破碎体之间，易发生片帮、垮帮现象[5-6]。片帮、垮帮等现象的发生，会导致巷帮对巷道顶板的支撑作用减弱，使巷道有效跨度增大，从而造成顶板岩层变形加剧。

3 巷道数值模拟分析

3.1 模型的建立

本次模拟主要计算顺槽开挖在无支护条件下围岩应力分布规律、围岩变形特征以及屈服范围大小。数值模拟采用F LAC3D计算软件[7-8]，建立的数值分析模型如图2所示。

图2 巷道数值分析模型

3.2 巷道模拟分析

3.2.1 模拟方案

通过改变巷道锚杆、锚索的长度、直径、间排距等参数，采用2种不同支护方案进行模拟，模拟方案如下所示：

方案一：巷道锚网索支护参数见表1。

表1 巷道锚网索支护参数

方案二：巷道锚网索支护参数见表1。

表2 巷道锚网索支护参数

3.2.2 围岩屈服破坏分析

巷道围岩屈服破坏模拟分析变化情况如图3所示。从图中分析可知：巷道在不支护的条件下屈服范围为1.5 m左右，在巷道顶板的中上部围岩产生的屈服破坏深度范围较大。巷道极易产生破坏，若不及时对巷道采取支护措施时，将会导致顶板大面积垮落，帮部会出现严重片帮现象；在支护条件下，根据锚杆支护挤压加固理论和整体锚固原则，采用锚杆锚索联合支护，将顶板和两帮围岩屈服破坏范围形成整体锚固结构体，巷道围岩的屈服破坏情况得到了明显的改善。

图3 有无支护条件下巷道围岩屈服破坏图

通过改变巷道锚杆、锚索的长度、直径、间排距等参数，对2种不同支护方案进行模拟分析发现，当锚杆、锚索材质一定时，锚杆、锚索的长度、直径越大，间排距越小，巷道围岩屈服破坏范围越小，越有

利于维持巷道的稳定，对支护越有利。

3.2.3 锚杆、锚索受力分析

采用锚杆锚索联合支护后，锚索锚杆受力情况分别如图4所示。从图中可以看出：采用锚杆锚索联合支护，锚索锚杆承受了直接顶、巷帮应力，增强了巷道稳定性，明显改善巷道围岩强度。通过改变巷道锚杆、锚索的长度、直径、间排距等参数，对2种不同支护方案进行模拟分析发现，当锚杆、锚索材质一定时，锚杆、锚索的长度、直径越大，间排距越小，锚杆、锚索所承受的支护阻力和锚杆支护系统刚度越大，对支护越有利。

图4 锚索锚杆受力情况分析

3.2.4 巷道围岩位移变化分析

如图5和图6所示为巷道围岩在垂直方向和水平方向位移变化模拟分析。根据图中分析可知，在巷道不采取支护时，其顶板下沉量最大为65.4 mm，底鼓量最大为20.5 mm；在采用支护方案一的条件下，巷道顶板下沉量最大为51.1 mm，底鼓量最大为20.1 mm；在支护方案二的条件下顶板下沉量最大为51.8 mm，底鼓量最大为20.3 mm。通过改变巷道锚杆、锚索的长度、直径、间排距等参数，对2种不同支护方案进行模拟分析发现，当锚杆、锚索材质一定时，锚杆、锚索的长度、直径越大，间排距越小，巷道围岩的顶板下沉量和底鼓量越小，越有利于维持巷道的稳定，对支护越有利。

图5 有无支护条件下巷道围岩垂直位移变化分析

图6 有无支护条件下巷道围岩水平位移变化分析

4 巷道支护方案

根据上述模拟分析结果，结合工作面实际情况，巷道掘进时当顶板为黄泥层且锚杆达不到设计要求时设计巷道采用全锚索+金属网+帮锚杆联合支护方案（支护设计图如图7所示）。

图7 工作面支护示意图

4.1 顶板锚索支护

1）锚索形式和规格：采用型号为SK P22-1/1720的1×19股高强度低松弛钢绞线制，Φ22 mm，抗拉强度1 720 MPa，长度4 300 mm。（可根据顶板岩层情况增加单根锚索或全部锚索长度，确保锚固段位于稳定的岩层中）。

2）锚索布置：每排布置5根锚索，间排距1 100 mm×1 200 mm，锚索垂直巷道顶板，距帮250 mm。

3）锚索锚固方式：1支规格为M SK2335，2支规格为M SZ2360（先放药卷M SK2335，后放2支药卷M SZ2360），钻孔直径为30 mm，锚固长度2.143 m。

4）锚索预紧力：不小于270 k N。

5）锚索锚固力：大于200 k N（要求矿方现场实测，达不到设计锚固力要及时调整锚固长度）。

6）锚索打注后采用2根长度不小于500 mm的10号铁丝成正十字形对锚索托盘进行捆绑，每根铁丝的两端在靠近锚索托盘边缘的网片上扭结不少于3圈，中部在锚具下方扭结锚索不少于3圈。

7）网片规格：采用Φ6.0 mm的钢筋焊接网，网片规格为：长2.5 m，宽1.3 m，网孔规格为100 mm×100 mm。网与网之间采用双股交替搭接形式，搭接长度100 mm，采用16号双股联网丝双边交叉连接，每隔100 mm联接一道，每道不少于3圈。

4.2 帮锚杆支护

1）锚杆形式和规格：锚杆形式和规格：回采侧帮部停采线内采用MG SL 20×2 000 mm玻璃钢锚杆，停采线外采用M SGLW-400/20-2000 mm螺纹钢锚杆，煤柱侧帮部采用M SGLW-400/20-2000 mm螺纹钢锚杆，杆尾高强锚杆螺母M22，型号为ϕ20-M22-2000。

2）锚杆锚固方式：树脂加长锚固，采用2种规格树脂锚固剂，先放1支规格为M SK2335，再放1支规格为M SZ2360，钻孔ϕ30 mm，锚固长度1.317 m。

3）锚杆布置：每排4根锚杆，间排距1 100 mm×1 200 mm，靠近顶的一根顶锚杆距顶板250 mm。靠近顶底板的锚杆安设角度与水平成10°，其余与巷帮垂直。

4）锚杆预紧力矩：玻璃钢锚杆预紧力矩为60 N·m，螺纹钢锚杆预紧力矩不小于250 N·m。

5）锚杆锚固力：玻璃钢锚杆锚固力为70 k N，螺纹钢锚杆锚固力不低于130 k N（要求矿方现场实测，达不到设计锚固力要及时调整锚固长度）。

6）托盘：金属拱形高强度托盘，尺寸为150 mm×150 mm×10 mm（长×宽×厚）。

7）网片规格：高强度抗阻燃性塑料网，网幅50×1.3 m，网格40×40 mm；网与网之间采用绑丝连接，连接方式为16号双股绑丝每100 mm连接一道；如煤帮松软，帮锚杆另加W钢带托盘。

8）锚杆配件：采用螺母、阻尼垫圈和调心球型垫。

5 应用效果分析

为验证15103运输顺槽支护方案是否达到设计支护强度要求，采用“十字”观测法在巷道内每间隔50 m布置1个测站，通过对巷道顶底板位移量和帮部移近量情况进行定期观测采集，对数据整理分析后绘制出如图8所示变化曲线。

图8 15103运输顺槽巷道顶底板及帮部移近量变化曲线图

由图8分析可知，巷道在开挖后20 d内围岩顶底板位移量和帮部移近量变化较大，其中顶底板移近量达到了80 mm左右，两帮移近量达到了40 mm左右，在20 d以后，巷道围岩逐渐处于稳定状态，变形量逐渐趋于平缓，最终顶底板位移量稳定在88 mm左右，两帮移近量稳定在48 mm左右。据此分析可知，巷道围岩变形量在可控范围之内，支护方案满足支护设计要求。

6 结语

1）15103运输顺槽巷道顶板受层理裂隙影响，易导致裂隙扩张或剪切滑移、断裂等不利现象。帮部岩性介于裂隙体与破碎体之间，易发生片帮、垮帮现象。片帮、垮帮等现象的发生，会削弱巷帮对顶板的支撑作用，使巷道有效跨度增大、顶板岩层变形加剧。

2）采用新设计的支护方案后，15103运输顺槽巷道围岩顶底板和两帮变形量均在可控范围之内，巷道结构整体性较好，巷道围岩变形得到有效控制。