大断面8230进风巷合理支护技术研究

牛 栋

（山西阳煤集团，山西 阳泉 045000）

1 概况

山西阳煤五矿8230工作面开采的15号煤层为较复杂结构煤层，一般含矸3～4层，岩性为泥岩，坚固性系数f为2。该煤层煤岩类型为半亮型～光亮型，煤层平均厚度6.1m，平均倾角8°。基本顶为中粒砂岩，平均厚度7.0m，坚固性系数f为4；直接顶为黑色泥岩，平均厚度10.45m，坚固性系数f为3；直接底为黑色砂质泥岩，平均厚度1.43m，坚固性系数f为3；基本底为灰黑色细砂岩，平均厚度3.15m，坚固性系数f为4。

8230工作面顺槽巷道均为矩形巷道，巷道断面宽度为5m，高度为3.2m。巷道原有的支护形式主要为锚杆和金属网支护，采用钢梁对顶板进行支护加固。在原有的巷道支护设计下，顶板部分区域下沉量明显，裂隙发育显著，导致锚杆和金属网支护效果大打折扣。为了定量评价巷道围岩变形和稳定性状况，通过离层监测仪对覆岩的离层情况和变形量进行监测，进而为分析巷道合理的布置方案提供重要的依据。

2 顶板离层监测

在8230工作面进风顺槽内一共布置2个测站，每个测站布置2个测点，每个测点位置安装1个离层监测仪，对巷道顶板的变形量进行连续监测，并将监测数据传输到电脑进行分析。

在I测站1号测点位置，在距工作面48m以外，深处覆岩未发生离层，当距工作面48m之内时，最大离层量也仅为1mm，说明高层位顶板几乎不受巷道掘进和采场采动的影响；浅处覆岩与深处覆岩的离层量之差最大为4 mm。在I测站2号测点位置，与工作面距离分别为72m、25m、16m、8m和2m时，深处浅处覆岩离层量分别为1mm、2mm、3mm、4mm和5mm；与工作面距离分别为20m和6m时，浅处覆岩离层量分别为1mm和2mm；浅处覆岩与深处覆岩的离层量之差最大为3mm。总体上，该位置巷道顶板离层量要比1号测点大。

在II测站1号测点位置，与工作面距离分别为36m、20m、12m和2m时，深处覆岩离层量分别为1mm、2mm、3mm和4mm，最大离层量为 5mm；与工作面距离为13m时，浅处覆岩离层量分别为1mm；浅处覆岩与深处覆岩的离层量之差最大为4mm。在II测站2号测点位置，与工作面距离分别为40m、30m、14m和5m时，深处浅处覆岩离层量分别为1mm、2mm、3mm和4mm，最大离层量为6mm；与工作面距离分别为27m和5m时，浅处覆岩离层量分别为1mm和2mm；浅处覆岩与深处覆岩的离层量之差最大为4mm。

原有的锚杆支护仍有一定的支护能力，但无法保证巷道覆岩长期的稳定性。从4个测点监测到的覆岩离层量整体分析，深处覆岩在距离工作面40m以外的位置变形较大，说明大范围的深处覆岩受采场采动影响较大，巷道顶板有垮落破坏的倾向。故在巷道掘进过程中需要及时进行支护，且支护结构可对高层位岩层起到加固作用，而单一的锚杆支护无法满足该要求，需要采用锚索锚杆共同支护的设计。同时离层指示仪监测的深处覆岩距巷道表面垂高为5m，故设计的锚索长度要超过5m。在距工作面20m以外浅处覆岩也存在一定的变形，故需要采用锚索+锚杆+锚网的联合支护形式才可以最大程度地维持巷道围岩稳定性。

3 巷道支护设计

依据悬吊理论和免压拱理论得到的锚索长度计算公式见（1）所示。

式中：

l1-可能垮落的覆岩厚度，m；

l2-锚索外露长度，m；

l3-锚索锚固长度，m。

l1可根据公式（2）求得：

式中：

B-巷道断面宽度以及巷帮片帮深度之和，m；

f-巷道覆岩平均普氏硬度，取0.49。

距巷道表面垂高为5m的位置覆岩离层量较大，为了使锚索将发生离层的覆岩锚固到稳定岩层中，尽可能地提高覆岩稳态，确定锚索锚固长度为1.5m，外露长度为0.2m，则根据公式（1）确定锚索长度为6.7m。从利于巷道支护结构施工的角度出发，最终设计锚索长度为6.8m。

4 巷道支护参数数值模拟

确定支护形式后，需要进一步对支护参数等进行优化。基于确定的锚索长度，通过数值模拟软件对不同支护体数量下的巷道围岩稳定性进行数值模拟分析，最终可确定最优的支护方案。建立模型走向长度为65m，倾向长度40m，模型高度选择为85m，模型四侧施加水平约束条件，底部施加水平和竖直双向约束条件，上表面施加等效均布荷载，本构模型选择为库伦摩尔准则。拟开挖巷道断面宽度为5m，高度为3m。

（1）锚索数量

顶板布置不同数量锚索下的巷道围岩塑性屈服特征显示：当布置锚索数量为1根时，巷道顶板破坏形式以剪切破坏为主，且两边破坏的范围要大于中部，整体破坏围岩呈马鞍形分布，破坏范围较大；当锚索数量为2根时，巷道顶板破坏仍以剪切破坏为主，破坏范围要明显减小，说明巷道覆岩变形失稳得到了较好的控制；锚索数量为3时，覆岩破坏范围与锚索数量为2时的破坏范围相差较小，说明锚索数量为2时就已经可以较好地维持覆岩稳定性。

（2）锚杆数量

顶板布置不同数量锚杆下的巷道围岩塑性屈服特征显示：当布置锚杆数量为4根时，巷道顶板破坏范围较大；当锚杆数量为5根时，巷道顶板破坏范围要明显减小，说明巷道覆岩变形失稳得到了较好的控制；锚杆数量为6时的覆岩破坏范围与锚杆数量为5时的破坏范围相差较小，说明当锚杆数量在5以上时，锚杆控制巷道覆岩稳定的效果趋于一致，锚杆数量为5时就已经可以较好地维持覆岩稳定性。

当顶锚索数量为2，顶锚杆数量为5时，巷道顶板的稳定性就可以得到较好的控制。优化后的巷道顶板支护方案为：锚杆索、金属网加钢带联合支护形式；锚杆为5根A3圆钢加工而来的金属树脂锚杆，长度为2200mm，支护间距和排距均设定为1000mm，靠近巷帮的锚杆打设在距巷帮300mm的位置；锚索布置2排，与两帮距离均为1500mm，长度为6800mm，支护排距为2000mm，间距为2200mm。如图1所示。

图1 优化设计断面支护图

5 结语

（1）在巷道原有的支护形式下，无法保证巷道覆岩长期的稳定性。离层监测仪监测的深处覆岩距巷道表面垂高为5m，距工作面20m以外浅处覆岩存在一定的变形。

（2）优化后的巷道顶板支护方案为：顶板锚杆为5根A3圆钢金属树脂锚杆，长度为2200mm，支护间距和排距均设定为1000mm；锚索布置2排，与两帮距离均为1500mm，长度为6800mm，支护排距为2000mm，间距为2200mm。