深井复合顶板煤巷过构造破碎带支护参数优化研究

尹彦东

（新泰市羊泉矿业有限公司，山东 泰安 271000）

羊泉矿业有限公司四采区辅助皮带下山为煤巷，埋深845～932 m，其邻近的四采区辅助轨道下山局部段（F12-1 断层影响区内）顶板下沉明显，两帮肩窝处变形严重。现场钻孔窥视表明顶板下沉明显段巷道支护系统稳定性差，如其再受到采动影响，存在冒顶隐患。四采区辅助皮带下山距F12-1断层更近，围岩整体性预计更差，亟需开展深井复合顶板煤巷过构造破碎带支护参数优化研究[1-5]。

1 工程概况

四采区辅助皮带下山延伸段位于F12-1 断层南部，沿2 煤层顶板掘进，巷道标高-647～-728 m，垂深平均890 m，巷道倾角24°，为下山掘进煤巷。该巷道西部为4203 工作面（未掘），掘进期间不受采动影响。巷道设计断面形状为梯形，净宽3.2 m，中心净高不低于2.4 m，采用炮掘工艺，风煤钻或风钻人工打眼，全断面一次爆破。

2煤层结构较复杂，厚度2.2～3.6 m，平均厚度2.4 m。煤层顶底板岩性及物理力学参数见表1。

表1 煤层顶底板岩性特征

2 巷道支护参数优化

1）锚杆预紧力

锚杆预紧力的施加对顶板的影响范围可以理解为锚杆支护系统对围岩主动加固带的范围，通过影响范围内压缩加固带对顶板离层的控制状况，进而确定预紧力的大小。在锚杆预紧力较小时，锚杆只在两端形成相互分离的两个压力泡。随着锚杆预紧力的逐步增加，压力泡的范围也在相应扩大，以至两个压力泡相交重叠，形成一个垂直贯通的椭球形锚杆预紧力影响范围。锚杆的预紧力越大，影响范围越大，压力泡重叠范围越大。

应用有限元分析方法，通过改变模型中锚杆的预紧力进行一系列的模型运算，最终获得合理的锚杆预紧力，以达到复合顶板无离层的支护效果。通过施加不同预紧力（2 t、4 t、5 t、6 t）来观测顶板1200 mm 范围内（通过现场打眼观测顶板层理状泥岩为1 m 左右，同时检测泥岩与砂岩交界面离层状况，故选择1200 mm）300 mm、600 mm、900 mm、1200 mm 处的离层情况，进而选择确定合适的锚杆预紧力数值。如图1。

图1 不同预紧力下顶板离层情况

通过有限元分析可以看出，提高锚杆的预紧力可以形成重叠的压缩泡，以消除顶板岩层的离层，从而取得最佳的支护效果。同时，得出锚杆所需的最小预紧力为6 t。为防止螺母上紧过程中因扭矩过大产生的动荷载施加破坏螺母和杆体的丝部配合，结合现场实践，锚杆预紧力不易超出锚杆屈服强度的50%，建议顶板锚杆6～8 t 的预紧力为宜。

2）锚杆长度

四采区皮带下山为实体煤巷道，其巷道应力环境的变化受煤层倾角及巷道埋深的影响较大。通过FLAC3D模拟分析巷道应力场分布情况，得出如图2所示云图。

图2 四采区辅助皮带下山应力分布云图

从图2 可以得到以下结论：

① 拉应力分布云图可以看出，拉应力主要分布在巷道顶板及底板位置，且其拉应力已超出围岩的抗拉强度（围岩抗拉强度在0.3 MPa 左右，而正拉应力区所受的拉应力为+0.35～+0.4 MPa），顶板拉应力破坏区为1.7 m，底板拉伸破坏深度为0.5 m，巷道有底鼓发生。

② 水平剪应力分布云图可以看出，水平剪应力最大值（正值）为+0.64 MPa，超出围岩抗剪强度0.54 MPa；水平剪应力主要集中在巷道顶板、右帮上部、左帮下部，最大剪切破坏深度为1.3 m（发生在巷道右帮位置）。巷道上帮肩窝发生剪破破坏后，帮部出现应力集中现象，所以大埋深巷道上帮围岩稳定性较差。

从图2 的拉应力及水平剪应力分布结果可以看出，巷道顶板最大破坏深度为1.7 m，两帮最大破坏深度为1.3 m，所以锚杆有效支护长度为1.7 m。基于矿井目前的锚杆长度和锚固剂的锚固长度（0.6 m），考虑巷道尺寸和保证支护具有一定的安全系数的要求，最终选择锚杆长度为2.4 m。

3）巷道支护强度

围岩弹性支护定义是支护系统所提供的支护强度足够大，围岩整体不发生塑性破坏和塑性变形。在浅部开采条件下，巷道支护设计的基本准则为围岩只发生弹性变形而没有塑性变形。然而达到一定深度之后，在目前的支护产品和支护技术水平条件下，弹性支护很难达到。根据弹塑性力学基本理论，结合羊泉矿业有限公司的地质采矿条件，弹性设计准则公式如下：

式中：Pa为在塑性区范围为0 时的支护阻力（临界弹性设计阻力），MPa；σz为和采深成正比的垂直应力，MPa；c为岩石内聚力，MPa；φ为岩石内摩擦角，（°）。

根据上述方程，确定软、中硬和硬煤的临界弹性设计支护阻力和开采深度的关系如图3。

图3 临界弹性设计支护阻力和开采深度关系

4）巷道支护优化

通过上述分析，确定巷道支护优化方式：高强高预紧力锚杆+钢带托盘+矿用笼型锚索。具体支护方式如图4。

图4 巷道支护断面图

① 锚杆支护。锚杆类型：高强预紧力锚杆； 锚杆规格：Φ20 mm×2400 mm； 锚杆杆体材料：Q500Φ20 mm 矿用高强螺纹钢， 屈服强度15.7 t，抗拉强度19.7 t；树脂锚固剂：MSCK2335×1+MSK2360×1； 顶板护表措施：6#钢筋焊接经纬网；锚杆托盘选用150 mm×150 mm×10 mm， 高强弧形托盘+300 mm×300 mm×3.75 mm 钢带托盘；预应力：6～8 t。

② 矿用笼型锚索支护。锚索类型：矿用笼型锚索；锚索规格：Φ17.8 mm×6000 mm，最小破断力36 t；树脂锚固剂：MSCK2335×1+ K2360×2；锚索托盘：300 mm×300 mm×12 mm的高强弧形托盘；预应力：10～12 t。

3 巷道围岩支护效果分析

通过理论分析、数值模拟和现场经验对照，对四采区辅助皮带下山过构造破碎带巷道进行支护优化，现场采用十字观测法进行巷道围岩变形观测，其变形结果如图5。从图中可以看出，顶底板相对移近量和两帮相对移近量变化趋势相似，均表现出先快速增大，后趋于稳定的特征，其中顶底板相对移近量最大变形量达到103 mm，两帮相对移近量最大变形值为77 mm，均在巷道允许变形范围之内。现场观测表明优化之后的支护方案能够有效抑制构造破碎带内巷道围岩的变形失稳，促进了巷道围岩形成整体承载结构，充分发挥围岩自承能力，保证了巷道在服务期间围岩和支护结构较长时间内的稳定。

图5 巷道围岩变形观测趋势

4 结论

1）通过数值模拟分析，确定了消除顶板岩层离层的锚杆最小预紧力为6 t，同时结合巷道拉应力及水平剪应力分布云图，得出顶板最大破坏深度为1.7 m，两帮最大破坏深度为1.3 m，并最终选择锚杆长度为2.4 m。

2）基于围岩弹性支护理论和现场经验，确定了软、中硬和硬煤的临界弹性设计支护阻力和开采深度的关系，从而确定了巷道支护优化方式：高强高预紧力锚杆+钢带托盘+矿用笼型锚索。

3）通过现场围岩观测得出，顶底板相对移近量最大变形量达到103 mm，两帮相对移近量最大变形值为77 mm，均在巷道允许变形范围之内，表明优化之后的支护方案能够有效抑制构造破碎带内巷道围岩的变形失稳，保证巷道在服务期间围岩和支护结构较长时间内的稳定。