恒兴煤业近距离煤层巷道围岩支护稳定性研究

李 云

（山西煤炭进出口集团洪洞恒兴煤业有限公司，山西 洪洞 031600）

恒兴煤业近距离煤层在开采过程中，常会受到已采煤层的影响，使得回采工作面以及回采巷道顶板破碎严重，锚杆支护无法满足巷道围岩的稳定性要求[1]，造成回采工作面多次停工停产，严重影响煤矿开采效率。基于此，本文根据恒兴煤业3号煤所处地质条件，设计优化巷道围岩支护参数，综合分析对比并确定回采巷道围岩最佳支护参数，确保巷道围岩稳定。

1 工程概况

恒兴煤业3#煤层所在地质年代为山西组，上距2号煤层8.60～21.85m，平均14.77m。煤厚约2.45m，埋深204.6m。3#煤层直接顶从下至上依次为炭质泥岩、砂岩、厚泥岩，厚度约12.00m。3#煤层底板从上至下依次为泥岩、细砂岩、石灰岩，厚度约3.50～8.50m。

2 巷道支护方案设计

2.1 断面形状及尺寸

根据现场实际勘测情况，3#煤层的第二采区的运输水平的掘进巷道断面形状为矩形。运输水平沿3#煤层的底板1m以下按照腰线掘进施工，具体尺寸为：净宽4m，净高2.5m。

2.2 支护方案

依据煤矿巷道施工地质资料和设计图纸要求，确定3#煤层运巷净宽为4m，净高2.5m，沿煤层底板一次掘进成形。结合巷道顶底板岩性，运巷采用锚杆+锚网+喷射混凝土支护协同作用形式。当岩层组合结构为软弱型和软硬相间型时，为加强支护效果采用加长锚杆和加长锚固，巷道支护形式及参数如图1所示。

（1）顶板支护

锚杆材质为左旋螺纹钢，直径20mm，长度2.5m，布置间排距为900×1000mm。巷道顶板共布置5根锚杆，单根锚杆锚固材料采用2根树脂锚固剂，其中1根快速、1根中速。锚杆安装后，托盘应紧贴岩面，不得有松动，外露长度应符合设计规范要求。

锚索材质为多股钢绞线，直径17.8mm，长度6.3m，布置间排距为1800×2000mm。巷道顶板共布置2根锚索（呈倒八字形布置），单根锚索锚固材料采用3根树脂锚固剂，其中1根快速、2根中速。锚索安装后，托盘应紧贴岩面，锁具预紧力至少应为120kN，外露长度应符合设计规范要求。

图1 恒兴煤业3#煤层运巷联合支护示意图

（2）两帮支护

锚杆材质为左旋螺纹钢，直径20mm，长度2.0m，布置间排距为1000×1000mm。巷道两帮共布置4根锚杆，下方锚杆距离底板1m处斜向下安装。单根锚杆锚固材料采用2根树脂锚固剂，其中1根快速、1根中速。锚杆安装后，托盘应紧贴岩面，不得有松动，外露长度应符合设计规范要求。

3 支护方案数值模拟分析

根据设计方案，对恒兴煤业3号煤运输巷围岩采用FLAC3D数值模拟软件进行巷道支护围岩变形移动规律的数值模拟。煤层及其顶底板岩层参数根据实际工程地质条件采用Attach语句连接[2-4]，模型建立网格35662个，节点数48250个，对巷道设计的支护参数进行数值计算及结果采集。方案设计巷道围岩在矿山压力作用下位移变化情况如图2所示。

图2 恒兴煤业3号煤运输巷围岩位移变化云图

对设计支护方案数值模拟完成后，保持煤岩层参数及开挖赋值不变，对巷道围岩锚杆锚索间排距（锚杆锚索数量）及长度进行变换，得出在不同支护参数下的巷道围岩移动变形量[5-6]，导出各支护方案下的围岩移动变形数据并记录汇总，得出锚杆锚索支护巷道顶、板移近量、左、右巷帮收敛量数据见表1。

表1 巷道围岩位移量随支护参数变化统计表

对恒兴煤业3号煤运输巷进行了多种支护参数的数值模拟，根据表1模拟巷道围岩变形量统计可知，开挖巷道在无支护的情况下，巷道围岩达到平衡时变形破坏程度较强烈，顶底板相对位移量为224mm，两帮相对位移量为209mm。设计方案支护形式对巷道围岩移动变形的控制效果较佳，最大能减少约73.6%的围岩变形量。设计方案支护参数为锚杆顶板5根，两帮各2根，长2.5m，锚索2根或3根，长6.3m时，顶底板和两帮位移量基本相等，且支护效果好，满足巷道围岩控制要求。

从巷道围岩支护工程施工经济上考虑，在围岩支护效果相差微小的前提下，尽可能采用较少的支护材料，能够节约施工成本，降低劳动强度，有较好的经济效益。因此，确定恒兴煤业3号煤运输巷围岩支护应选择顶板锚杆5根，两帮各2根，长2.5m，顶板锚索2根，长6.3m的支护参数作为最佳支护方案。

4 工程应用

对于恒兴煤业3号煤运输巷道围岩支护，将数值模拟分析得出的最佳支护方案进行现场应用，对巷道支护完成后，进行围岩顶板下沉、巷道两帮收敛的现场监测，得到巷道围岩移动变形随时间的变化曲线如图3所示。

图3 3号煤运输巷道围岩变形随时间的变化曲线

由现场监测数据可以看出，巷道围岩在采用最佳支护方案下，前15d内围岩变形较剧烈，无论是顶板下沉还是两帮收敛都随时间呈线性增长的趋势，最大增长至52.4mm和46.5mm。这说明在巷道掘进开挖前期，围岩的原岩应力状态遭到破坏，围岩在巷道开挖范围内显现出多处的应力集中现象，使得围岩破碎严重，断面变形较大。而在15d以后，巷道围岩支护效果才得以显现，巷道顶板及两帮基本保持了稳定的状态，顶板下沉和两帮收敛基本趋于不变，说明巷道支护效果显著，满足安全生产的要求。由工程实践研究表明，恒兴煤业3号煤采用顶板锚杆5根、两帮各2根、长2.5m，顶板锚索2根、长6.3m的支护参数满足了巷道围岩变形的有效控制，而且节省施工成本，经济效果良好。

5 结论

通过对恒兴煤业3号煤运输巷道围岩支护的数值模拟和工程实践的综合研究可知，对于近距离煤层的开采，上部煤层的采空区对下部煤层巷道的稳定性影响较大，需通过有效的锚杆锚索联合支护并采用加长锚固的方法，方能更好地控制巷道围岩的稳定性。数值模拟和工程应用均证明了该3号煤巷道采用顶板锚杆5根、两帮各2根、长2.5m，顶板锚索2根、长6.3m的支护方案效果最佳，不仅能有效控制巷道围岩的变形，还具有一定的施工经济性，对类似煤矿巷道支护提供了一定借鉴意义。