6#煤大采高回采巷道顶板支护研究

张国荣

（西山煤电集团有限责任公司西曲矿，山西 古交 030200）

西山煤电西曲矿6#煤巷道顶板岩层分类较多，各层厚度均较小，且各岩层间交界面摩擦力较小，岩层极易滑落、离层变形等，巷道支护成为一大难题。针对这种情况，研究人员以组合梁与组合拱理论[1]为基础，设计研究拱-梁相耦合的共同支护体系，以6201工作面巷道为研究载体，研究分析最合理的拱-梁支护参数并实施于工程现场中，最终提出该类巷道围岩的抗变形冒落的组合支护方法[2-4]。

1 工程概况与数值建模

5号煤层直接顶板为砂质泥岩，破碎易冒落，靠近煤层有一层0.1～0.4m碳质泥岩伪顶，节理发育，随采随冒。基本顶为细粒砂岩，采后5～6个月冒落，呈周期性来压，煤层厚度5.2m，底板为砂质泥岩、细粒砂岩，采后无底鼓现象。6号煤层直接顶板为砂质泥岩及细砂岩，煤层厚度8.5m，节理发育，距5号煤层底板11.2～13.7m，随采随冒，顶板较难管理。底板为砂质泥岩或泥岩。

按照实际煤岩特性参数，拟定数值计算模型的尺寸及岩性特点，以矿井实际生产现状为模拟原型，建立的模型中各煤岩层的力学参数如表1所示。

表1 大采高巷道顶板围岩物理力学参数表

2 大采高巷道顶板支护结构数值分析

2.1 数值建模

结合西曲矿煤岩力学特性及赋存情况，运用FLAC3D数值软件对6201工作面巷道围岩开挖及围岩主动支护参数拟合计算，以1:50的比例建立模型尺寸为40×40×10m。围岩各项力学参数经现场实验测定，如表1所示。

2.2 支护方案模拟

方案设计结合西曲矿6#煤实际工程概况和煤岩力学特性，设计采用两种对比方案进行优选。具体巷道支护方案如下：

第一种方案：大采高巷道顶板采用锚杆规格为Ф20×2000mm，巷道煤帮采用的锚杆规格为Ф16×1600mm，顶、帮锚杆间排距相同，设计为800mm；顶板锚索选用的规格为Ф17.8×8000mm，每个断面布置一根独锚索，步距为5m；锚固材料采用中速和快速两种树脂锚固剂，锚杆为一根中速、一根快速，锚索为三根中速、一根快速。

第二种方案：大采高巷道顶板采用锚杆规格为Ф20×2000mm，巷道煤帮采用的锚杆规格为Ф18×2000mm，顶、帮锚杆间排距相同，设计为800mm；顶板锚索选用的规格为Ф15.24×8000mm，每个断面布置两根锚索，两根锚索呈八字形布置于巷道顶板中，垂直偏差角度约为20°，步距为6m；锚固材料采用中速和快速两种树脂锚固剂，锚杆为一根中速、一根快速，锚索为三根中速、一根快速。

两种方案顶板支护设计如图1：

图1 两种方案巷道顶板支护设计图

2.3 数值模拟结果分析

图2 第一种方案巷道围岩屈服破坏分布

对6#煤工作面巷道支护第一种方案进行数值计算，模拟计算大采高巷道围岩支护条件下的屈服破坏情况，如图2所示。

由数值模拟计算结果可以看出，采用独锚索顶板支护方案，巷道围岩屈服破坏主要集中在巷道左右两肩部位置，巷道肩部所受地质应力较大，产生应力集中现象，在应力集中区域，巷道围岩破坏深度约为3.5～4m，最大主应力转移至巷道肩角部位，约为2.7倍原岩应力，巷道最大切向应力发生在巷道两帮部位，约为1.8倍原岩应力，巷道围岩受剪切破坏较严重，锚杆锚索联合支护基本无法满足围岩稳定性的要求。

图3 第二种方案巷道围岩剪切力分布云图

对6#煤工作面巷道支护第二种方案进行数值计算，模拟计算大采高巷道围岩支护条件下的围岩所受地质应力情况，如图3所示。

模拟大采高巷道围岩压力结果表明，由于改进为八字形布置锚索，有效加强了大采高巷道肩角部位围岩的自承载能力，巷道肩部围岩破坏深度大大减小，冒落只有部分小块岩石，说明八字形布置锚索能够有效控制大采高巷道围岩的稳定。采用锚杆-锚索拱梁耦合作用支护，使得大采高巷道围岩全断面屈服破坏深度最大仅为0.4m，巷道围岩应力转移至岩体深部，断面内几乎无应力集中区域，最大主应力约为1.1倍原岩应力。同时大采高巷道断面受剪切破坏作用较小，巷道基本保持原有的开挖断面形状，最大剪切应力仅为0.85倍原岩应力[5]，八字形锚索承载拱与锚杆岩梁共同承载大采高巷道全断面剪应力，有效控制了大采高巷道围岩的坍塌冒落，围岩稳定性得到大大控制。

3 工程实践

通过分析对比两种支护方案可知，优先选用改进的八字形锚索组合拱和锚杆组合梁相耦合的支护方案，能够有效控制大采高巷道围岩的稳定性。将第二种支护方案应用于6#煤6201工作面大采高巷道支护中，进行井下现场工程监测研究，图4和图5分别为采用第二种支护方案下的大采高巷道围岩的移动变形随时间变化曲线和巷道围岩锚杆支护载荷随时间的变化曲线，工程实践连续监测30d数据，结果分析如下：

如图4所示，在巷道开挖推进10d内，围岩移动变形幅度较大，约为20mm，占巷道30d总变形量的65.3%。说明由于开挖扰动围岩，初期围岩变形大，后期围岩在耦合支护作用下保持巷道围岩的稳定。

4 结论

图4 巷道围岩变形（mm）--时间（d）曲线

图5 表明在大采高巷道开挖初期，原岩应力遭到破坏，初期表现为围岩应力的重新分布，急剧上升，7d内最大锚杆支护载荷达52.5kN，占30d稳定后的最大载荷的81.2%，说明巷道支护前期锚杆让压适应围岩的开挖扰动，后期大采高巷道围岩随着巷道的继续推进，始终保持一定的稳定状态。综合来说，采用八字形布置锚索联合锚杆组合梁耦合支护能够保证西曲矿6#煤大采高巷道的稳定。

针对西曲矿6#煤大采高工程实例，研究6201工作面巷道在不同支护条件下的巷道稳定性，通过采用数值模拟和现场实践相结合的方法，得出以下结论：

（1）大采高巷道顶板围岩分类较多，极不稳定，巷道在地应力的作用下稳定性较差，巷道围岩变形破坏主要发生在易形成应力集中的区域，巷道肩角围岩稳定性控制难度大，主要是因为顶板岩层分类较多且厚度较小。

（2）采用八字形顶锚索布置联合锚杆组合梁共同支护大采高巷道围岩，通过数值模拟计算研究和现场工程实际监测研究，该方案取得了较好的支护成效，巷道围岩稳定性得到了有效控制，为煤矿安全采掘和生产提供了保证。

图5 巷道围岩支护载荷（kN）--时间（d）曲线