王坡煤业大断面巷道支护方式优化

刘伟伟

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 泽州 048021）

1 工程概况

王坡煤业有限公司位于山西省晋城市泽州县境内，井田面积29.23 km2，可开采煤炭储量2.2亿吨，其井下3213 工作面主采3 号煤层，平均埋深为520 m，煤层结构简单，节理裂隙发育，平均厚度达5.7 m，煤层倾角为2°～9°，回采巷道为矩形巷道，巷道断面尺寸为：宽×高=6 000 mm×4 500 mm。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

2 煤体力学性质及巷帮破坏特征

2.1 煤体力学性质

为了解王坡煤业3 号煤层的力学性质，在3213 回风巷巷帮现场取样，对其进行力学参数测试。

（1）单轴抗压强度

对现场采取的1#、2#、3#煤样进行单轴抗压试验，应力应变曲线见图1。

图1 煤样单轴抗压应力应变曲线

图1 中3213 回风巷巷帮所采集煤样的应力应变曲线符合一般岩石的变形特征，基本经历了孔隙裂隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段及破坏阶段［1-4］。在实验过程中，随着荷载的不断增大，当煤样表面发生剥落时会导致巷道围岩支撑能力下降，煤样在破坏前其应力应变曲线均呈现一定的波动。在加载实验过程中，煤样在破坏时有碎片被挤压弹出同时还发出较大声响的轻微岩爆现象，这表明煤样较脆。

（2）抗剪强度

本次抗剪实验共选取35°、45°、55°、65°四个角度，其每个角度均选取三个煤样进行实验，实验结果见表2。

表2 煤样剪切实验结果

通过上述实验结果可拟合得到煤样的摩尔包线见图2。

图2 煤样的摩尔包线

通过计算可知，煤样的内聚力c=1.57 MPa，内摩擦角Φ=18.25°。

2.2 巷帮围岩破坏特征

通过对现场厚煤层回采巷道进行调研，发现巷帮的破坏形式可大致分为三种：肩角破坏、中部挤出变形及片帮，其中又以巷帮中部挤出变形及片帮为主，见图3。

图3 巷帮主要破坏形式

因回采巷道在掘进期间受到的扰动相对较小，其巷道变形破坏主要发生在工作面回采期间。通过现场调研并结合煤样的物理力学实验可初步分析巷帮破坏原因有：（1） 巷道断面尺寸较大，且为矩形断面，在巷道肩角位置容易产生应力集中，从而引起巷帮肩角位置破坏；（2） 由于煤性较脆，且节理裂隙发育，工作面回采过程中易造成片帮；（3）支护方式选择不合理、支护参数有待优化。

3 回采巷道支护体系优化

3.1 巷道原有支护方式及支护效果

3213 回风巷原有支护方式见图4。

图4 原有支护方式

图4 中3213 回风巷采用锚杆+ 金属网的支护形式，其中顶锚杆为Φ18 mm×2 300 mm 的螺纹钢锚杆，每排5 根，间排距为1 300 mm×1 200 mm，并铺设Φ6 mm×2 400 mm×1 100 mm 的钢筋网。帮锚杆为Φ18 mm×1 800 mm 的玻璃钢锚杆，每排4 根（每帮2 根），间排距为1 500 mm×1 200 mm。为了解原始支护方案的支护效果，在3213 回风巷距离开切眼30 m、40 m、60 m 位置布置应力、应变监测站，每个监测站对巷道两帮变形量及锚杆受力进行监测，现场监测数据见图5。

图5 现场监测数据

图5（a）中随着工作面的推进，当距离工作面50 m 范围内时，巷道两帮变形量逐渐增大，在距离工作面30 m 以内时，巷帮变形量急剧增大，最终巷道煤柱帮变形量最大值为250 mm，回采帮变形量最大值为430 mm。依据巷帮现场监测数据，超前支承压力影响范围为工作面前方50 m，剧烈影响范围为工作面前方30 m，回采帮变形量远远大于煤柱帮变形量。图5（b）中随着工作面的推进，顶锚杆工作阻力逐渐增大，但变化量较小，监测曲线整体变化不大。帮锚杆在距离工作面50 m 时，工作阻力减小，而后在距离工作面40 m 时，帮锚杆工作阻力又呈上升趋势，在距离工作面30 m 时工作阻力减小，之后在距离工作面25 m 后工作阻力在此增大。顶锚杆工作阻力最大值为35 kN，帮锚杆工作阻力最大值为48 kN，比顶锚杆大约37.1%，而且帮锚杆工作阻力监测曲线整体波动较大，究其原因，是因为巷帮受超前支承压力及回采扰动的影响，导致巷帮破碎，出现片帮、炸帮显现，引起帮锚杆工作阻力变小。

总体来看，现有支护体系对巷帮支护效果较差，应对其进行优化。

3.2 支护体系优化

根据王坡煤业的现场实际条件，结合现场监测数据，以原有支护方案为基础，对巷帮支护方式进行优化设计。帮锚杆长度分别设计为1.8 m、2.4 m、3.0 m；数量分别为2 根、3 根、4 根；肩角锚杆与水平方向夹角分别为10°、15°、20°。FLAC3D模拟结果见表3。

表3 试验方案模拟结果

表3 中由方案8～方案10 可知，在锚杆长度和数量相同的情况下，肩锚杆与水平方向的夹角对巷道变形的影响几乎可以忽略。通过对比各个方案可知方案9 是最佳方案，即帮锚杆长度为3.0 m，肩锚杆与水平方向的夹角为15°，锚杆数量为4根，见图6。

图6 巷道支护方式

方案9 与原支护方案巷道围岩塑性区范围见图7。

图7 塑性区对比

图7 中原支护条件下巷帮塑性区约为3.4 m，而方案9 条件下巷帮塑性区约为2.5 m，与原支护方案相比塑性区减小约26.5%，而且锚杆长度3.0 m，已经超出塑性区范围，帮锚杆可以锚固在稳定岩层中，因此可以起到加固巷帮的作用。

3.3 工业性试验

将方案9 在3213 回风巷进行工业性试验，其中顶锚杆与原支护方案一致，为Φ18 mm×2 300 mm的螺纹钢锚杆，每排5 根，间排距为1 300 mm×1 200 mm，并铺设Φ6 mm×2 400 mm×1 100 mm的钢筋网。帮锚杆为Φ18 mm×3000 mm 的玻璃钢锚杆，每排8 根（每帮4 根），间排距为1 000 mm×1 200 mm。现场巷帮变形量及锚杆工作阻力监测曲线见图8。

图8 巷帮变形量及锚杆工作阻力监测曲线

图8（a）中在方案9 支护条件下，回采帮变形量最大值为162 mm，煤柱帮变形量最大值为135 mm，回采帮变形量略大于煤柱帮变形量，巷帮变形量大小与数值模拟结果基本吻合，与原支护方案相比，回采帮变形量最大值降低62.3%，煤柱帮变形量最大值降低46.0%。图8（b）中工作面回采过程中帮锚杆工作阻力与顶锚杆工作阻力变化趋势基本一致，一直呈现增大的趋势，与原支护条件下工作阻力出现增大、减小再增大的变化趋势截然不同，表明巷帮围岩并未出现片帮、炸帮现象，巷帮变形量较小、支护效果良好。

4 结论

1）巷帮的破坏形式可大致分为三种：肩角破坏、中部挤出变形及片帮，导致巷帮变形破坏的主要原因是3 号煤层煤性较脆且矩形大断面巷道角处容易应力集中。

2）通过FLAC3D数值模拟分析得到较优的支护方式为：帮锚杆长度为3.0 m、肩锚杆与水平方向的夹角为15°、每侧帮锚杆数量为4 根。

3）经现场工业性试验并与原方案相比发现，方案9 支护条件下回采帮变形量最大值降低62.3%，煤柱帮变形量最大值降低46.0%，支护效果良好。