大倾角巷道围岩支护方案优化及控制

何峰华 李以虎

(煤炭工业济南设计研究院有限公司,山东 济南 250031）

大倾角煤层巷道围岩变形难以控制，岩层倾角对巷道的变形破坏影响较大。本文立足于大倾角围岩，通过FLAC3D数值模拟软件，得到了控制巷道断面变形的最佳巷道断面方案。为了加强支护，采用非对称耦合围岩控制技术，将锚网索耦合支护共同作用在围岩的变形关键部位，达到控制围岩变形的目的。

1 巷道断面形状的数值模拟

1.1 模型的确定

本次模型长度×宽度×高度=50×40×50m。模型左右和下边界均采用刚性约束，根据各层的力学参数和地应力实测结果，作用在上边界的地应力为25MPa，模型中所采用的岩层物理力学参数如下表1。

1.2 围岩变形数值模拟结果

煤矿巷道一般有矩形、梯形和半圆拱形几种常见类型。在巷道断面的选择上，往往会选择受力较为均匀的拱形巷道。矩形巷道和梯形巷道往往在顶压和侧压都不大的情况下使用，直墙拱形巷道适用于顶压大而侧压力较小的情况。对于顶压、侧压和底压都很大的情况，采用圆形、椭圆形、马蹄形断面。对于高地应力和软岩区域，采用圆形巷道。当然在巷道形式选择上，也会考虑支护方式、支护材料以及掘进方法、使用年限等条件。

表1 模型各岩层力学参数

本文专门针对梯形、直墙拱形和矩形巷道做了模拟。根据FLAC数值模拟，针对煤层倾角30°时不同的断面形状，来研究巷道围岩的应力分布和变形。

图1 巷道垂直位移云图

根据图1中的三种巷道截面形式，可以得出以下结论：

（1）三种巷道的断面均出现应力分布的不对称性，巷道的顶板左侧变形较大，底臌量的最大变形值出现在底板的左侧。

（2）从模拟情况来看，矩形巷道的顶板最大下沉数值达到了220mm，底板的最大变形量达到了50mm。斜梯形巷道顶板的最大下沉量达到了187mm，而底板的变形量和矩形巷道底板的变形量一样，达到了50mm。半圆形巷道顶板和底板的变形量均是三种巷道中的最小值，顶板下沉量仅仅为135mm，而底板的最大下沉量仅仅为20mm。

根据上述结论可以看出，对于煤层倾角30°的巷道，选取半圆拱形巷道顶底板变形量会最小，斜顶梯形巷道变形量次之，矩形巷道变形量最大。

2 巷道支护方案选择

2.1 支护参数选择

图2 巷道支护方案图（单位：mm）

由于本项目的煤层顶板为复合顶板，节理发育，顶板岩层较脆且容易冒落，考虑到巷道距离采动工作面较近，容易承受采动压力。巷道采用圆弧形拱断面，如图2所示。在支护方式选择上，采用锚网带+锚索+底角锚杆非对称耦合支护。顶板采用4根预应力锚杆，每根锚杆采用两支MSK28/50数值锚固剂进行锚固，锚杆采用扇形分布，顶板锚杆的间排距为850×1000mm，另外布置两根高强锚索，锚索长度为7.5m，采用粘结式鸟巢钢绞线。底板采用金属网外加W钢带和锚杆支护。

2.2 巷道变形监测

（1）巷道围岩变形监测曲线。

图3 Ⅲ测站巷道围岩变形曲线

根据巷道的变形情况，在巷道的顶板、底板和左右两帮处设置观测点，采用十字布点法安设巷道表面的位移监测面，并在各测站设置测力计。由观测数据可知，巷道顶底板的位移变形量最大，两帮的变形量较小，整个巷道变形在掘进距离测点50～60m之间基本趋向稳定，巷道的顶底板的移近量为135mm，而两帮的平均值仅为110mm，整个变形都在允许的范围内。该支护方案基本控制了巷道的变形，可以满足巷道使用的要求。

（2）顶板离层仪观测。

图4 Ⅲ测站顶板离层情况

顶板离层观测特设置3个测站，从最终的监测结果来看，顶板离层的浅部离层量有30mm，深部离层达到了9mm，顶板的离层主要发生在较为浅的区域，三个测站的结果最终相差不大，离层量结果数据较为接近，离层量也都明显在浅部区域。

3 结论

FLAC3D数值模型的结果表明，圆拱形巷道的受力最为合理。对于复合顶板的大倾角煤层巷道来说，采用非对称耦合支护方式，锚网索支护共同作用在围岩的变形关键部位，有效控制围岩变形。根据监测结果，支护方案能够满足巷道围岩变形控制。