大断面巷道合理支护参数研究

李士杰

（潞安矿业集团李村煤矿建设管理处，山西 长治 046604）

随着矿井的产量增加及矿山设备性能朝着大型化、机械自动化方向发展，开掘大断面采区巷道已成为必然趋势[1-2]。李村矿新开掘的大断面二采区胶带巷服务多个生产工作面，初期巷道变形量小，但随着生产的不断进行，巷道受到的采动应力叠加效应增加，出现顶板变形、巷道向内膨胀收敛，导致锚杆索失效脱落[3-4]，不利于巷道的维护。本文结合矿井开掘巷道实际情况制定合理的支护方案展开研究。

1 工程背景

潞安集团李村矿井田位于山西省沁水煤田南部，位于长子县南小河村与南李村之间。井田东侧为霍尔辛赫井田，南部为潞安矿业集团慈林山煤业公司。其开采的为3#煤层，煤层埋深在520m左右，平均厚度4.2m，倾角3～8°。煤层上方直接顶为粉砂岩，厚度4m，结构松散，强度较低。基本顶为细粒砂岩，厚度为12m，底板为砂质泥岩，厚度4m（图1）。煤层属不自燃煤层，煤尘具有一定爆炸危险性。

图1 矿井柱状图

2 采区巷道支护方案制定

二采区胶带巷设计长度1387m，巷道设计断面为矩形，掘进宽度6000mm，掘进高度4200mm。煤层中开掘巷道后，形成一个自由空间失去三向受力平衡，在径向上失去支撑，应力重新分布打破原岩应力平衡状态。考虑到巷道顶板松软和巷帮煤体强度低的情况，同时巷道周围围岩岩性差，易发生破坏、顶底板移近、两巷道帮向内收敛的现象，根据相邻矿井地质资料和支护情况制定出锚杆+锚索+金属网联合支护方案（图2）。

（1）锚杆：采用杆体为Φ22mm×2400mm（左旋无纵筋螺纹钢筋）。顶部锚杆间排距800×1000mm；帮部锚杆间排距900×1000mm，其中巷帮底角锚杆配合一块W钢护板支护，矩形布置，每根锚杆使用MSCK2335、MSZ2360各一支树脂锚固剂。

（2）锚索：采用Φ22mm×7300mm的锚索（1×19股高强度松弛预应力钢绞线）。巷顶锚索间排距1400×2000mm，即隔排打设4根，锚固长度1800mm。每根锚索使用MSCK2335一支、MSZ2360两支树脂锚固剂。

图2 二采区胶带巷道支护参数

3 数值模拟

通过数值模拟验证二采区胶带巷的支护参数合理性。FLAC3D5.01是一款有限差分软件，依据应变增量来算出应力增量，然后计算得出不平衡力。对动态问题如大变形、失稳有较好的应用。模型采用Mohr-Coulomb本构模型，相关的岩石力学参数见表1。对综放开采工作面进行模拟。模拟模型尺寸：长×宽×高=250m×300m×68m，巷道断面=4.2m×6m。煤层埋深520m，容重取25kN/m3。限制模型底面和前后、左右的位移，顶部设置为自由面，施加13MPa垂直应力（图3）。巷道开挖后，巷道断面按照Cable单元模拟锚杆（索）支护，对比未支护和优化后支护方案情况对比。

图3 数值模型建立

3.1 力学参数的确定

根据矿井的相关地质资料和相关实验室内的力学试验，确定了煤层和其他岩层的力学参数（表1）。具体计算公式如下：

式中：

E-弹性模量，GPa；

μ-泊松比；

G-剪切模量，GPa；

K-体积模量，GPa。

3.2 巷道围岩塑性区情况

图4 无支护和优化后支护方案塑性区对比图

采用优化后的支护方案支护效果明显优于无支护方案，由图4（a）可以看出塑性区最大影响范围达到5m，类似于“X”型破坏，而图4（b）可以看出塑性区影响范围缩小，说明锚杆索对顶板和两帮起到支护作用。

4 现场监测

在滞后掘进工作面迎头100m处，设置测点进行60d的巷道围岩位移量的测量。通过十字测量法，对二采区胶带巷顶底板移进量和两帮移进量进行监测。观察巷道围岩变化情况。具体情况如下：顶底板移近量和两帮移近量在第1～30d的巷道变形增长速率较快，第31～60d巷道围岩变形量保持平稳状态。顶底板移近的最大位移是109mm，两帮移近的最大位移是77mm，都在围岩允许变形的范围内（图5）。通过测量位移量后，得出优化后的支护方案和参数可有效控制巷道围岩变形量。

表1 岩石力学参数

5 结 论

大断面巷道支护方案确定后，采用FLAC3D数值软件模拟塑性区，通过对优化后的支护方案和无支护两种形式对比，可以看出优化后的支护方案塑性区明显减小，说明锚杆索支护起到了较大支护作用。现场测量数据表明，围岩变形量保持一个稳定状态，能够满足二采区工作面回采需要。

图5 巷道位移量