坚硬顶板巷道支护方案优化研究

邹 伟

（大同煤矿集团东周窑煤业有限公司，山西 大同 037000）

坚硬顶板巷道的支护，简单套用矿井设计规范[1-2]，容易造成锚网索支护间排距过密，对原本完好的顶板造成破坏[3-5]。东周窑矿对目前采用的顺槽支护密度进行优化，以期达到掘进高效、经济合理的目的。

1 概况

大同矿区大部为坚硬顶板巷道，15#煤XV108工作面北面为井田边界，东西面为未采区，南面为15#煤三条大巷，15#煤盖山厚度大致在240～450m之间，平均340m。XV108工作面长度为180m，走向长度1370.5m，顺槽巷道掘进断面尺寸：5.2×2.6m2，切眼巷道掘进断面尺寸：7.2×2.6m2，巷道埋深在340m左右。巷道沿煤层顶板掘进，直接顶为石灰岩，坚硬，块状，均厚12.5m。现顺槽锚杆、锚索支护密度较大，虽支护效果理想，但成本过高，掘进速度较慢。

2 锚杆支护模拟

2.1 锚杆预应力

锚杆预应力为巷道主动支护的关键因素，通过FLAC3D模拟巷道顶板在不同预应力条件下的受力情况，结果如图1所示。

图1 不同锚杆预应力形成的附加应力场分布

由图1可知，在低预应力作用下，巷道形成较小应力范围区，每根锚杆的有效应力范围零散分布，无法形成有效应力圈。在高应力作用下，预应力作用范围明显增大，使得巷道顶板应力区连成有效整体，改善围岩应力状态，巷道顶板受力分布均匀，有害变形更小。

锚杆预应力可选择大于常规数值。

2.2 锚固方式

锚杆锚固可以提高锚杆的抗拉能力，减少顶板岩石离层。对不同锚固条件下围岩应力分布进行FLAC3D数值模拟，结果如图2所示。

图2 不同锚固方式锚杆的附加应力场分布

由图2-（a）可得，在端部锚固状态下，锚杆应力作用在两端较为明显，中部为应力降低区，对围岩受力状态改变明显；由图2-（b）可得，锚杆进行加长锚固后，预应力作用范围明显减小，无法积极发挥主动支护作用，有效支护面积也有所减小；由图2-（c）可得，全长锚固锚杆对预应力发挥产生阻碍作用，使得锚杆有效压应力区大大减小。

2.3 锚杆角度

巷道顶板两角部一般为应力集中区，对支护要求较高，现对不同顶板角锚杆角度支护条件下，围岩应力进行FLAC3D数值模拟分析，结果如图3所示。

图3 不同锚杆角度的附加应力场分布

由图3-a可得，当角锚杆垂直于巷道顶板布置时，顶板形成较厚有效应力区，并连成整体，顶板范围内得到有效支护；由图3-（b）、3-（c）可得，随着角锚杆角度的增大，巷道顶角处有效应力范围逐渐减小，并逐渐由整体应力区变为分散应力区，顶板围岩无法全部受力，大大降低锚杆的支护作用。当角锚杆角度达到15°时，顶板形成3个应力区，应力圈被分裂，巷道无法维持整体性，对围岩变形无法有效控制。考虑到巷道施工的便利性，一般角锚杆角度不超过10°。

3 支护方案优化

通过大量样本巷道的调查并运用回归性分析，得出在一定埋深下，D、σc、B三者的关系：

表1 顶板稳定类型及支护方式

式中：

Bmax-岩层稳定极限跨距，m；

ξ- 蠕变系数，ξ=0.5～0.7；

η-安全系数，一般取η=4；

σc-悬吊岩层的抗压强度，MPa；

-岩石的平均容重，N/m3；

md-地层载荷系数，md=kH，k取0.022m，H为巷道埋深；

mz-支护载荷系数，指悬吊层岩石本身重量与悬吊层需悬吊其下方岩石的全部重量的比值，即：

式中：

D-单层厚岩层的厚度，m；

L-单层厚岩层离顶板表面的距离，m。

代入变换得：

由上式得：

通过类比分析，参照类似巷道支护方案，提出XV108工作面顺槽支护优化设计方案。

（1）顶板支护：锚杆型号MSGLW-400 20/2000，每排4根，排距1.8m，间距1.5m，角锚杆施工最大角度不超过5°，配合一支MSK2335和一支MSZ2360树脂锚固剂，锚固力不小于120kN，预紧力矩不小于300N·m。采用钢筋梯梁护顶，规格为SB14-70-4600-4，在安装锚杆的位置焊接两段纵筋，间距100mm，以便安装锚杆。

锚索型号SKP15.24-1/1860-5400，每排1根，排距5.4m，打设在巷道中间，全部垂直巷道顶板打设，配合一支MSK2335和两支MSZ2360树脂锚固剂，锚索初始预紧力不小于120kN。

（2）巷帮支护（煤柱侧）：锚杆型号MSGLW-400 20/2000，每排3根，排距1.8m，间距900mm。锚固剂锚固力同顶板锚杆。采用高强双抗塑料网护表，网格规格50×50mm，网片规格2.5×1.9m。

（3）巷帮支护（工作面侧）：采用玻璃钢锚杆，型号Ф20-M22-2000，每排3根，排距1.8m，间距900mm，采用一支MSK2335树脂锚固剂进行锚固，预紧力矩不小于40N·m。采用高强双抗塑料网护表，网格规格50×50mm，网片规格2.5×1.9m。

4 支护效果

巷道共设三个测站：巷道掘出100m后设置第一个测站，包括两个巷道表面位移监测断面，一个顶板离层监测断面，一个锚杆受力监测断面；巷道掘出200m后设置第二测站；500m以后设置第三测站。

监测结果表明，在巷道支护初期，产生较大位移，顶底板移近量达56mm，之后趋于稳定，仅产生较小变形，由于工作面顺槽服务时间较短，可满足安全要求。