煤矿软弱复合顶板巷道联合支护技术研究及应用分析

王晓东

（平顶山天安煤业股份有限公司十矿， 河南 平顶山 467000）

引言

煤矿巷道顶板由于硬度较小，在开采过程中容易出现下沉量过大等现象，并且由于顶板整体性较差，也极易产生离层和垮落，不仅给巷道的有效支护带来较大难度，也对操作人员的人身安全造成一定威胁，当前巷道顶板冒顶已经成为了制约巷道开采效率提升的重要因素之一。近年来，随着科学技术的飞速发展，巷道支护技术不断更新，该领域诸多学者针对软弱复合顶板支护难问题进行了多角度分析和研究[1]。本文在此基础上，选取某矿93210 胶运顺槽为研究对象，设计了一种“内+外层锚杆”的联合支护方式，将该方式用于施工现场进行实地检验，该支护方式能够在现有基础上显著提升巷道的支护效果，也为此类地质环境下的巷道支护方案提供了借鉴。

1 工程概况

本文选取某矿93210 胶运顺槽为研究对象，该矿当前开采煤层为3-1 号煤，煤层均厚3.40 m，煤层倾角较小，近似水平，煤层储量较为丰富，普氏系数约为1.2，开采面积较大。煤层直接顶的主要成分为泥岩，平均厚度为5.65 m，普氏系数约为1.9。老顶的主要成分为粉砂岩，平均厚度为8.36 m，直接底的主要成分为泥岩，平均厚度为0.28 m，老底的主要成分为细砂岩，平均厚度为1.08 m。93210 工作面四周分别为已开采区域、实体煤区、采区大巷和边界煤柱。

2 巷道原支护方案及存在的问题

2.1 巷道原支护方案

巷道掘进方向同底板走向一致，全长为2 290.18 m，能够起到运煤和通风的作用。巷道断面为矩形，宽度为5 400 mm，高度为2 800 mm。当前采用的支护方案为“锚杆+锚索+钢带”联合支护的方式，具体参数如下：

1)顶板支护：巷道顶板锚杆选用螺纹锚杆，锚杆直径为16 mm，长度为2 100 mm，相邻锚杆间的距离为1 100 mm，两排锚杆间的距离为1 000 mm，每排锚杆的数量为5 根。锚索选用树脂锚索，锚索直径为15.24 mm，长度为6 500 mm，相邻锚索间的距离为2 500 mm，两排锚索间的距离为3 000 mm，每排锚索的数量为2 根。

2）两帮支护：巷道两帮锚杆选用圆钢螺母，锚杆直径为16mm，长度为2 100 mm，相邻锚杆间的距离为900 mm，两排锚杆间的距离为800 mm。

2.2 存在的问题

现有支护方案存在的主要问题是支护强度难以满足实际要求，由于巷道顶板的组成成分为砂岩和泥岩等，硬度较低，属于软弱复合顶板。因此在掘进过程中围岩裂隙逐渐发育，应力状态发生变化，使得围岩变形量显著增加，加之不同围岩种类间的离层现象，使得顶板的整体性和支护效果进一步下降。

根据支护现场调查能够发现，当前的支护方案虽然是采用多种支护方式联合支护的形式，但是各种方式相互间缺少配合，顶板仅由锚索支护，两帮仅由锚杆支护，整体支护强度较低，支护效果较差，使得顶板和两帮均存在变形量过大等现象，降低了巷道的掘进效率。因此对于巷道的支护方案和相关参数进行优化具有实际意义。

3 优化支护方案设计及数值模拟分析

3.1 优化支护方案

内层锚杆的主要作用是提升围岩的整体性，长锚杆的主要作用是加深锚固区域，使得锚固区域能够避开围岩破碎区域，提升围岩的锚固效果。两者相结合能够显著提升巷道的整体支护强度。

采用“内+外层锚杆”的联合支护方案，巷道顶板内层锚杆选用左旋螺纹钢锚杆，锚杆长度为2.5 m，相邻锚杆间的距离为600 mm，两排锚杆间的距离为600 mm，巷道两帮选用左旋螺纹钢锚杆，锚杆长度为2.5 m，相邻锚杆间的距离为800 mm，两排锚杆间的距离为800 mm。外层锚杆选用自进式注浆长锚杆，锚杆长度为6.5 m，相邻锚杆间的距离为800 mm，两排锚杆间的距离为600 mm，锚杆和顶板的夹角为20°。锚杆固定完毕后立即进行喷浆处理，优化支护方案布置图如图1 所示。

3.2 数值模拟分析

利用FLAC3D 软件将巷道的模型和相应的支护方案导入其中，通过计算机辅助支护的方式进行数值模拟，比较两种支护方案下支护效果的区别。

模型长度为50 m，宽度为2 m，高度为18 m，综合考虑计算机处理速度和精确程度，将模型划分为41 350 个单元、61 095 个节点，取g=9.8 m/s。在模型的顶部设置应力载荷，其余各处设置边界约束。

3.3 顶板变形监测

不同支护方案的支护效果可由顶板变形监测曲线反映出来，由图2 不难看出，相较于原有支护方案，优化后的支护方案顶板变形量最大值为15.2 mm，相较于原来减少了接近50%。由此可见，新型支护方案适用于软弱复合顶板的支护，能够显著提升顶板的整体性和稳定性。

4 应用效果分析

在巷道的指定位置使用JSS30A 数显收敛计对巷道的围岩变形进行实时监测，将监测所得数据绘制出围岩变形速率以及变形量曲线图，通过图像对不同支护方案的支护效果进行比较，巷道围岩变形量曲线图如图3 所示。

使用优化后的支护方案，顶板的最大变形量为19.2 mm，两帮的最大变形量为5.8 mm，相较于原有的支护方案分别减少了59.8%和54.9%。由此可见，优化后的支护方案作用效果显著。

5 结语

本文选取某矿93210 胶运顺槽巷道作为研究对象，针对软弱复合顶板现有支护效果较差等问题进行分析研究，主要结论如下:

1）对现有支护参数和支护方案进行优化，采用计算机辅助计算的方式确定了优化后参数的可行性。

2）巷道顶板、两帮最大变形量相较于原有的支护方案分别减少了59.8%和54.9%，由此可见，优化后的支护方案支护效果显著提升，能够满足软弱复合顶板的支护要求。