沿空巷道支护方式及参数优化研究

徐红刚

(山西潞安化工集团有限公司 古城煤矿，山西 长治 046100)

长期以来，煤炭始终占据我国一次能源生产、消费领域的主导地位[1]，随着开采强度以及开采深度的逐年增加，为提高资源的回采率，矿井常采用沿空掘巷的方式进行巷道布置[2-3]。随着开采采深的增加，深部煤炭资源开采过程中应力分布以及动力显现特征相较于浅部资源表现出明显的差异，表现为采掘空间动压显现频繁且由于高静压以及动压扰动，沿空巷道失稳变形严重，围岩稳定及控制问题尤为突出[4-8]。

巷道作为矿井生产、运输的重要通道，承担通风、运输等任务，若变形严重，动压显现频繁，将对矿井安全生产构成威胁[9]。古城煤矿主采煤层为3号煤层，在浅部开采时矿井工作面回采巷道，采用锚杆、锚索联合支护方式，巷道变形量以及动力显现均较少，支护效果良好。随着下部工作面开采，由于采深的增加以及临近上侧采空区，受采空区顶部支承压力的影响，回采巷道在开掘之初，钻场以及巷道变形量大，原有支护方式以及支护参数不能满足巷道的行人生产要求，在此情况下，亟需地质以及开采角度进行优化设计，从而构建确立一个支护效果良好的支护方案，为本矿井深部临空巷道的支护设计提供参考。

1 工程概况

古城煤矿1306工作面主采3号煤层，1306工作面回风巷道布置在3号煤层中，施工时已揭露该煤层。3号煤层埋深为520～642 m，煤层厚度3.35～9.75 m，平均厚6.5 m，工作面采煤高度3.8 m，放煤高度2.70 m，采放比为1∶0.71.煤层倾角1～10°，平均倾角为5°.煤层直接底为砂质泥岩，厚度约3.85 m，基本底是厚度为5.24～10.23 m的细粒砂岩，以石英为主，单轴抗压强度为23.85 MPa.直接顶为砂质泥岩，厚度为8.56 m，深灰色，含有完整植物化石；基本顶则以中粒砂岩以及细粒砂岩为主，厚度13.46 m左右。

1306工作面回风巷道临近1305工作面采空区，工作面回风巷道为矩形断面，宽度5.20 m，高度3.80 m，掘进断面19.76 m2.

2 工作面巷道围岩稳定性分析

研究表明[10-13]，矩形巷道围岩松动圈计算方法可类比等效圆形巷道进行近似计算，根据弹性力学及Mohr-Coulomb准则，在静水压力作用下，圆孔周围弹性区以及塑性区径向应力(σr)以及切向应力(σθ)分别如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

由围岩弹、塑性区相等条件，联立上式可得圆孔周围塑性区半径R：

选取我院2017年1月—2018年1月收治的30例黄疸型病毒性肝炎患者为研究对象，随机分为观察组与对照组，各15例。观察组男性8例，女性7例，年龄30～65岁，平均年龄（42.5±3.5）岁；对照组年龄31～66岁，平均年龄（43.0±3.5）岁；所有患者均已通过相关检测，符合黄疸型病毒性肝炎诊断标准，排除其他传染性疾病，经我院伦理委员会同意，签署知情同意书，其性别、年龄、基础疾病等一般资料经统计学分析均差异无统计学意义，P＞0.05，有可比性。

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(8)

式中：g为矩形巷道高度，m；h为矩形巷道宽度，m；R1为矩形巷道顶板松动圈半径，m；R2为矩形巷道两帮松动圈半径，m.

代入1306工作面回风巷参数，p0=13.00 MPa；C=3.2 MPa；φ=35 ° .需要说明，由于该工作面巷道为矩形断面，在此采用等效近似法由工作面高度以及宽度g=3.8 m,h=3.8 m，计算可得,1306工作面等效圆形巷道半径为R0=3.22 m，巷道塑性区半径R=3.83 m，矩形巷道顶板松动圈影响范围R1=1.93 m，两帮松动圈影响范围R2=1.23 m.

首先通过向巷道两帮以及顶板垂直施工孔深为2～3 m、孔径为42 mm的钻孔，其次通过钻孔窥视仪对巷道围岩两帮以及顶板进行窥视。经过现场观测得出，巷道顶板及两帮松动圈影响范围分别为2.33 m、1.56 m，与理论计算值相近。根据松动圈围岩分级支护理论[14]，1306工作面回风巷属于Ⅱ、Ⅳ类中等稳定和不稳定巷道，应采用锚杆、钢带、锚网以及锚索联合支护。综上所述，3号煤层巷道按照围岩松动圈理论分类为中等稳定巷道-不稳定巷道。

3 支护参数数值模拟

3.1 模型建立及方案

通过数值模拟对1306工作面回风巷采用不同支护参数情况下巷道应力分布及变形进行数值模拟，研究支护参数对于巷道围岩稳定性的影响，并确定1306工作面回风巷支护参数，采用FLAC3D建立三维计算模型，模型尺寸为100 mm×50 mm×130 mm，根据工作面埋深，在模型顶部施加10.5 MPa垂直方向应力，采用Mohr-Coulomb准则作为煤岩体破裂屈服判据。根据矿井地质资料以及煤岩体物理力学参数测试结果，模型物理力学参数见表1.

表1 模型岩体力学参数

首先模拟临近1305工作面开采，待开采完毕，模型应力平衡后，对1306工作面回风巷道进行掘进，并采用锚杆、锚网、锚索以及钢带进行联合支护，记录分析支护后巷道周围应力分布情况以及变形情况，对围岩稳定性进行分析。

3.2 数值模拟结果分析

如图1所示,巷道围岩均出现了不同程度的应力集中现象，应力增量主要集中于顶板以及两帮，存在沿某一应力主方向贯穿巷道分布的特征。

图1 不同支护参数下巷道围岩应力分布图

随着巷道锚杆间排距的减小，当锚杆间排距采用800 mm×800 mm布置时，巷道顶板以及两帮应力集中区域面积明显减少，且应力峰值相较于前者存在明显下降趋势，峰值应力为20.31 MPa，应力集中系数为1.55，巷道围岩应力呈“蝶形”分布特征，在巷道右上侧以及左下侧呈对称分布，在巷道右帮仍有应力叠加影响区域。而当锚杆间排距采用600 mm×600 mm布置时，巷道围岩应力集中区域明显减少，应力峰值仅为17.64 MPa，应力集中系数为1.35，相较于前者应力显著降低。

不同支护参数下巷道围岩位移分布图如图2所示。巷道围岩在顶、底板两帮均出现明显变形位移情况，呈现出以下特点：首先巷道顶板位移量大于两帮，即顶板稳定性是回风巷稳定性的关键；其次巷道上部的位移量大于巷道下部的位移量，位移量整体呈倒梯形分布，随着巷道支护参数的提高，巷道位移分布规律基本类似。

图2 不同支护参数下巷道围岩位移分布图

巷道锚杆采用1 000 mm×1 000 mm间排距布置情况下，巷道顶板最大位移量达915 mm，且最大位移处于巷道中央，支护效果较差，在两帮上侧临近巷道角部，存在两处对称分布位移量较大区域，巷道底板也存在此种分布特点。随着锚杆支护间排距的缩小，当间排距为800 mm×800 mm时，巷道顶板位移量明显减少，仅在顶部巷道壁处存在少量位移量较大区域，巷道围岩整体位移量较小，平均位移为453 mm.当支护密度为600 mm×600 mm时，变形仍集中于巷道顶板中央处，巷道两帮以及底板位移量显著减少，巷道两帮位移量为153 mm，顶板位移量为220 mm，围岩仅在巷道顶角部存在少量移进现象。即随着巷道支护密度的增加，巷道围岩变形量减少，围岩稳定性提高，从非稳定逐渐转换为稳定巷道。

综上所述，对比分析不同参数下，巷道围岩应力以及位移分布规律，得出1306工作面巷道锚杆间排距采用600 mm×600 mm布置时，从应力以及变形角度，均可以满足巷道围岩稳定性控制，从安全角度考虑应选取此种支护参数对1306工作面回风巷进行支护。

4 现场监测结果分析

对1306工作面回风巷道支护参数优化后，采用布置测点的方式对掘进期间围岩变形量进行观测。巷道掘进期间围岩位移参数如图3所示。巷道掘进期间，巷道顶板、左帮、右帮累计变形量分别为272.36 mm、124.00 mm、196.5 mm，经过对巷道支护参数进行优化后，巷道变形量相对较小，围岩稳定性较好。

图3 巷道掘进期间围岩位移图

巷道回采期间围岩位移参数如图4所示。在距离工作面0～42 m范围内，每间隔2 m对巷道围岩变形情况进行观测后可知，顶板位移量明显高于巷道两帮，巷道最大变形量为40 mm，距离工作面0 m后，巷道变形量逐渐趋近于稳定。由此可知，采用此种支护形式以及支护参数，工作面回风巷道围岩稳定。

图4 工作面回采期间围岩位移图

5 结 语

1) 对古城煤矿1306工作面回风巷道围岩松动圈进行计算，得出巷道顶板、两帮围岩松动圈距离分别为1.93 m和1.23 m，巷道围岩稳固性等级为中等稳定巷道-不稳定巷道，并确定巷道应采用端锚或全锚形式，配合钢带、锚网索进行支护。

2) 通过数值模拟对回风巷道采用600 mm×600 mm、800 mm×800 mm与1 000 mm×1 000 mm间排距布置情况下，巷道围岩应力及变形进行模拟。结果表明，巷道锚杆采用600 mm×600 mm时巷道应力集中程度低，且围岩变形量较小。

3) 根据掘进以及回采期间巷道围岩变形量实测结果，在巷道掘进期间，顶板、左帮、右帮累计变形量分别为272.36 mm、124.00 mm、196.5 mm，回采期间巷道单日最大变形量为40 mm.