大断面顶托煤巷道支护技术研究

夏记保

（山西煤炭运销集团临汾有限公司，山西 临汾 034000）

山西煤销集团金辛达煤矿1101工作面沿煤层底板掘进辅运顺槽，顶板为复合顶板，岩层为10号煤、夹矸及9号煤炭。巷道掘进中，需保持顶板巷道围岩稳定，同时需满足足够断面要求，以适应高产高效综合机械化放顶煤回采。针对1101辅运顺槽特殊地质及回采工艺等有关要求，提出了相应支护技术，保证巷道在工作面回采期间的净断面要求，实现安全高效综合回采。

1 巷道地质条件

首采的1101工作面，放顶煤开采9～11号煤，煤层平均厚度为5.62 m，倾角为3°～10°，煤层硬度f值为2～3，节理裂隙较发育。9#煤层顶板为K2石灰岩，灰岩为深灰色，质地坚硬、性脆，属坚硬岩石，岩体完整时构成了坚硬极难冒落顶板，饱和抗压强度48.5～58.8 MPa，属Ⅲ类稳定型顶板。

2 大断面沿底留顶煤巷道变形失稳特征

对于大断面沿底掘进巷道，因其巷道断面大，四周围岩为煤层，围岩强度低，且经受巷道回采动压影响，支护难度大，围岩变形量及巷道塑性区更大，其变形波坏特征主要如下：

（1）顶板变形破坏严重，塑性区大，围岩离层量大，顶板节理裂隙发育，掘巷过程中，在集中应力影响下易剪切破坏，巷道顶板离层与巷宽的四次方成正比，巷道顶板中部离层量最大，因此对于大断面巷道，巷宽增大后，顶板离层变形量急剧增大；

（2）冒顶突发性强。大断面沿底留顶巷道，巷道跨度大，顶板岩性差，冒顶突发性强且范围大，甚至冒顶范围可达70～80 m；

（3）巷道底鼓严重。巷道支护若忽视对底板支护，只加强顶板及两帮支护，底板易成为压力释放突破口；此外巷道底鼓量与巷宽的四次方成正比，因此对于大断面巷道，底鼓将更难治理。

3 大断面沿底留顶煤巷道围岩稳定机理

为探究大断面沿底留顶巷道围岩稳定机理，建立FLAC3D数值模拟模型，研究顶煤厚度及巷宽对围岩塑性区的影响，模型总体尺寸为142×20×78m（长×宽×高），共划分35275个单元，43344个节点，模型底面固定，四个侧面限制水平运动，上边界施加上覆岩层自重10 MPa，水平侧压系数为1.3，模型采用弹塑性材料，运用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏。

3.1 顶煤厚度对围岩塑性区的影响

不同顶煤厚度下围岩塑性区分布规律如图1所示。

图1 顶煤厚度对围岩塑性区影响

对比上图，可以发现对于沿底掘进巷道，顶板厚度增加对两帮塑性区影响较小，但两帮塑性区都比较大，因此需加强两帮支护。顶煤厚度的增加对顶板围岩的影响明显，顶煤厚度增加后塑性区从顶板中部向两边迅速扩展，最后和两帮塑性区连为整体，破坏形式以剪切破坏为主。巷道顶板巷中及两个顶角要加强支护，是防止顶板发生整体滑移破坏的关键。

3.2 巷道宽度对围岩塑性区的影响

参照上述分析过程，研究巷道宽度变化（3.5～5m）对围岩塑性区影响（数值模拟分析图略），可以发现：

（1）随着巷道宽度的增加，塑性区范围没有发生明显变化，但底板塑性区均较大；

（2）巷道宽度的增大对围岩塑性区影响大，巷道宽度从3.5 m增加到5.5 m时，塑性区迅速向围岩深部扩展，两帮支护尤为关键；

（3）在巷宽较小的时候（3.5 m），顶板浅部出现拉伸破坏区，随着巷道宽度的增加，围岩破坏方式发生改变，由拉伸破坏变为剪切破坏，随着巷道宽度的增大，塑性区向深部扩展趋势不明显，但迅速向周边扩展，和两帮塑性区连为整体；

（4）巷道宽度的增大改变了巷道顶板的破坏方式，小断面巷道顶板破坏主要以剪破坏或拉剪破坏为主，而大断面巷道顶板破坏主要以拉破坏为主。

4 现场工业性试验

4.1 支护参数

顶板支护：钢筋梯子梁组合HRB335螺纹钢锚杆支护，锚索补强支护。钢筋梯子梁由Φ12 mm的钢筋焊接而成。选用规格为Φ20 mm、L2200 mm的锚杆，每排5根，间排距为1100×1200 mm。顶板选用规格为Φ17.8 mm、L5200 mm的小孔径预应力锚索，间排距为2200×2400mm。

两帮支护：钢筋梯子梁组合HRB335螺纹钢锚杆支护。选用规格为Φ20 mm、L2000 mm的锚杆，每排6根，间排距为1000×1000mm。

4.2 支护效果分析

为了观测1101工作面辅运顺槽在掘进及回采期间围岩活动规律，设置测站，对围岩表面位移等进行观测。

图2 表面位移监测曲线

1101工作面辅运顺槽表面位移规律如下：巷道掘进后，表面位移快速上升，持续时间10 d左右，顶底板平均移近速度为3.7mm/d，两帮平均移近速度为4.9mm/d，这是巷道开挖后围岩应力由三向变为二向，承载能力下降，形成一定范围的破碎区，岩体破碎后，体积迅速膨胀，表面位移快速增长。随着远离掘进迎头，围岩变形速度不断减小并趋于稳定，掘进影响期大约为45 d。巷道达到稳定状态后，围岩变形速度在0.15mm/d以下，两帮移近量为84mm，顶底板移近量为57mm，围岩控制效果较好。

5 结语

采用科学合理的支护技术手段，保证了大断面沿底留顶巷道受采动影响后能够保持稳定，在服务期间巷道断面满足使用要求，不用二次支护、维护，大大减轻了工人的劳动强度，保障1101工作面水平运煤系统的稳定运行。