辛置煤矿厚硬基本顶大巷煤柱回收工作面运输巷支护设计

＊徐文贵

（山西省霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿 山西 031412）

近年来，我国煤炭行业发展总体相对稳定，煤矿开采技术也在稳步推进，多数煤矿采用地下开采，开采中出现了大量问题，巷道支护尤为关键。锚杆索支护是巷道安全领域内的关键技术，针对巷道支护难题，众多学者在锚杆支护理论，巷道围岩控制理论等方面做出了许多研究，何满潮[1]对巷道弹塑性区的强度与力学特征进行了分析，探讨了锚索之间以及和锚索和锚杆之间的相互影响关系；康红普[2]提出了一种高预应力强力支护理论，建立锚杆索支护系统，结合工程实践，有效控制了围岩变形，取得良好工程效果；侯朝炯[3]通过实验室实验和理论分析，分析了强化后的锚固体在巷道支护过程中对围岩塑性区和破碎区的影响过程；左建平[4]提出了复合支护技术，根据巷道围岩稳定轴比规律，计算了不同形状断面下的应力分布以找到更合理的支护参数。车俊毅[5]为了减少工作面过断层煤耗量，提高煤炭资源采出率，选取概况典型巷道，通过理论计算选取合理巷道支护参数。经过现场实践对断层巷道采用特殊超前支护，最大限度的实现煤炭资源高效回采。

综上所述，前人针对巷道围岩控制机理和支护技术方面进行了深入的研究且取得了丰富的研究成果[5]，然而类似辛置煤矿厚硬基本顶大巷煤柱回收工作面巷道支护技术研究较少，因此，本文以辛置矿2-213 工作面巷道为研究对象，研究了厚硬岩层顶板条件下巷道支护的有效设计，提出一种合理的综合支护控制方案，并为以后类似巷道支护研究提供参考。

1.工程概况

2-213 工作面位于2#煤层，煤层节理不发育，煤层平均埋深307 m，平均煤厚为4.1 m，采用一次采全高，自然垮落法处理采空区。煤层直接顶由一层平均厚度为6.5 m 的泥岩、砂质泥岩半坚硬岩层构成，老顶是一层厚7.2 m 的K8中砂岩坚硬岩层， 工作面属于厚硬顶板一次采全高工作面。运输顺槽设计总长1953 m，巷宽4.9 m，巷高3.6 m 矩形巷道，沿煤层顶板掘进，煤层空间位置情况如图1 所示。

图1 2#煤层空间位置情况

2.数值模拟支护分析

(1)模型建立

根据2-213 工作面地质赋存情况，利用有限元分析软件对2# 煤层、2-213 运输顺槽及回风顺槽建立模型，固定四周及底部位移(速度)边界,根据埋深施加渐变垂直应力，上部边界施加7.16×106MPa 垂直应力，底部施加8.30×106MPa 垂直应力，侧压系数1.2，模型如图2 所示。

图2 数值模拟分析图

在2-213 工作面运输顺槽从切眼开始，选三处（30m、70m、110m），分别从顶板钻孔取芯和从底板钻镐刨取岩样，将煤岩样加工成岩体力学实验标准圆柱试件，首先计算自然块体密度，然后采用TAW-2000 型电液伺服试验机进行岩石力学试验。在岩石力学实验的基础上，根据不同的权重确定一定的折减系数，从而得到与现场实际相符的岩体力学参数，如表1 所示。

表1 数值模拟力学参数

(2)2-213工作面回采稳定运输顺槽塑性区分布情况

开挖2-213 工作面顺槽，待顺槽掘进扰动影响稳定后，回采2-213 工作面至设计停采线，待工作面回采稳定后，运输顺槽塑性区如图3 所示。

图3 采动影响稳定后运输顺槽塑性区分布图

由图3 可知，2-213 工作面回采稳定后运输顺槽两帮煤体最大塑化宽度为2 m，顶板煤体最大塑化高度为4.5 m， 2-213 工作面运输顺槽锚杆索必须锚固在围岩深部未塑化破坏区域，因此借助运输顺槽塑性区分布图可知，在设计运输顺槽支护必须要将锚杆索锚固至稳定岩层中，所以巷道帮部支护必须至少锚固至2 m以外深部岩层中，而顶部锚固深度必须保证在4.5 m以外岩层中。

3.巷道支护设计

(1)2-213工作面运输顺槽支护设计方案

根据巷道围岩性质、310 水平二采区回风巷、二采区皮带巷及二采区轨道巷矿压观测资料及支护经验,同时结合现场实际施工情况，2-213 工作面运输顺槽采用锚网梁、锚索复合支护，2-213 工作面运输顺槽具体支护形式，如图4 所示。

图4 2-213 工作面运输顺槽具体支护形式

运输顺槽顶板采用φ22 mm×2400 mm 左旋高强锚杆，辅助高强托板调心球垫和1010 尼龙垫圈，托盘采用规格为150 mm×150 mm×10 mm 方形高强度拱形托盘，并布置1 根4.4 m“W”钢带，每排6 根，排间距为800 mm×880 mm，每根顶锚杆使用1 条Z2388 型和1 条CKb2360 型树脂锚固剂。帮部采用φ22 mm×2400 mm 左旋高强锚杆，辅助高强托板调心球垫和1010 尼龙垫圈，托盘采用规格为150 mm×150 mm×10 mm 方形高强度拱形托盘，每排每帮各5 根，排间距为800 mm×800 mm，特别要求帮部最上一根锚杆距顺槽顶板300 mm 布置，每根帮锚杆使用1 条Z2388 型树脂锚固剂，两帮均采用2 根1.8 m、3 孔的“W”型钢带（每帮两根钢带重叠一眼使用）。顶锚索规格为φ21.6 mm×8500 mm，锚索采用“三二”方式布置，排距为1600 mm，3 根时间距为1200 mm，2 根时间距为1600 mm，采用300 mm×300 mm×16 mm高强锚索托盘及配套锁具,每孔使用1 条CKb2360 和2 条Z2388 型树脂锚固剂；全断面铺设单层8# 铁丝网，采用16#联网丝。

(2)运输顺槽支护设计预应力模拟

通过理论计算配合数值模拟并且结合现场施工情况，利用FLAC3D对2-213 工作面运输顺槽支护形式进行锚杆索预应力模拟，运输顺槽采用上述支护方案后最大主应力云图，如图5 所示。

图5 设计支护方案最大主应力云图

①2-213 工作面采用锚网梁、锚索复合支护能够将支护构件有效锚固预紧力施加至围岩深部完整煤体中，这样复合支护同围岩形成统一承载结构，可以有效控制运输顺槽围岩大变形问题。

②由于帮部煤体塑化深度2 m 左右，所以帮部只需进行锚杆支护即可将锚杆锚固至稳定煤体中。

③由于顶板围岩塑化深度达到4.5 m，所以需要锚杆、锚索复合支护，只有这种支护方案才能确保运输顺槽在服务周期内不发生大范围压顶问题。

(3)现场应用监测效果

运输顺槽采用上述支护方案后，每隔50 m 对顺槽整个断面装设围岩变形在线监测设备及时观测记录巷道顶板、两帮围岩变形情况。现对某一断面围岩测站进行长期监测，测点段巷道顶底板围岩变形情况，如图6 所示。

图6 巷道围岩变形监测

通过图6 所示，测点段巷道在未受2-213 工作面回采扰动影响前，巷道没有发生任何变形。随着工作面不断推进，顶板及两帮围岩发生持续变形，两帮围岩最大变形量为350 mm，顶板围岩最大变形量稳定在240 mm，待工作面回采扰动影响过后，运输顺槽测点段围岩变形几乎不再增长。由此可见，运输顺槽采用锚网梁、锚索对巷道围岩进行复合支护，有效控制围岩继续向深部塑化破坏，进而保证巷道围岩变形控制在合理变形范围内[6]。

4.结论

（1）本文以辛置煤矿2-213 工作面为工程背景，结合该矿区2#煤层地质赋存环境、邻近巷道矿压观测资料及支护经验，采用FLAC3D数值模拟研究方法，对2-213 工作面运输顺槽进行支护设计。

（2）利用FLAC3D对2-213 工作面运输顺槽支护形式进行锚杆索预应力模拟，模拟证实2-213 工作面采用锚网梁、锚索复合支护能够将支护构件有效锚固预紧力施加至围岩深部完整煤体中，这种复合支护同围岩形成统一承载结构，可以有效控制运输顺槽围岩大变形问题。

（3）现场实测结果表明，测点段巷道围岩顶板围岩变形稳定在350 mm，顶板变形量稳定在240 mm，由此证明巷道围岩变形控制在合理变形范围内，控制效果良好。