15#煤层回采巷道支护方案设计研究与应用

李海强

（山西华约生态修复股份有限公司，山西 晋城 048000）

煤矿开采过程中，工作面两侧的回采巷道直接服务于采煤工作面，回采巷道面临着复杂的地质条件，受到工作面剧烈的采动影响，导致大量回采巷道支护困难，易出现巷道断面收缩、支护体失效的问题，将耗费大量的人力和支护材料进行返修，对于矿井的安全高效生产非常不利。为了保证巷道的正常使用和安全，以龙顶山煤业15#煤1501首采工作面运输顺槽为工程背景，在理论研究基础上给出其初步支护方案，通过FLAC3D数值模拟优化具体参数，并对支护方案的应用效果进行现场监测和分析，为巷道支护提供借鉴。

1 工程概况

山西高平科兴龙顶山煤业有限公司井田位于太行山南段西侧，沁水盆地东南部，开拓方式为斜立井混合开拓，一个主斜井和两个立井（主斜井、副立井、回风立井）。矿井现开采15#煤层，矿井通风方式为中央并列式，采煤方法为长壁综采一次采全高，全部垮落法管理采空区顶板。四采区煤层厚度变化不大，煤层顶板为泥岩，底板为泥岩。15#煤层位于太原组一段顶部，K2石灰岩之下，上距9号煤层平均34.42m。煤层厚度2.40～4.78m，平均3.68m。煤层结构简单-中等，一般含0～2层夹矸，为全井田稳定可采煤层。

2 支护方案初步设计

15#煤层直接顶泥岩单轴抗压强度为22.56MPa，为软弱～半坚硬性岩层；基本顶粉砂岩单轴抗压强度为55.7MPa，属半坚硬岩层；底板泥岩单轴抗压强度为37.99MPa，为半坚硬岩层。采用普氏围岩分类法计算得出[1]，15#煤层顶板为中硬型，底板为硬型，巷道围岩易出现的破坏情况为顶板下沉冒落。据此可知，1501运输顺槽顶板岩层的锚杆支护应采用挤压加固理论。

巷道顶板锚杆对于顶板岩层挤压加固的效果如图1（a）所示。对于软弱、节理裂隙发育型顶板，锚杆通过施加预紧力给顶板提供正压力，限制顶板岩层内裂隙的进一步发育，并使浅部的软弱岩层形成具有一定自稳能力和强度的梁结构，能够承受更大的上覆岩层的载荷。

图1 1501运输顺槽围岩加固理论

1501运输顺槽设计宽度L=4.5m，高度为2.9m，顶板为0.8m厚的煤和3.1m的泥岩，平均埋深为280m，上覆岩层的平均容重为25kN/m3，则顶板浅部岩层形成的加固梁上的载荷q=γH=7MPa，将巷道顶板视为简支梁，则顶板中部弯矩为：

锚杆支护作用下顶板岩层中最大应力为：

根据实验室岩石力学试验获知，1501运输顺槽顶板泥岩的抗拉强度σ=1.0MPa，由此计算可得巷道顶板中部不发育拉伸破坏的临界加固厚度为：

将1501运输顺槽详细的参数代入式（3）计算，h=3.8m，梁的宽度b=1m，若要将顶板岩层挤压加固为足以承受地应力的梁，锚杆长度至少需要大于3.25m，而目前井下巷硐围岩的支护所用的锚杆长度一般不大于2.5m，因此必须通过锚索进行补强支护。

假设顶板锚杆长度为L，锚杆间排距为b，则顶板锚杆形成的加固梁最大厚度：

此时，顶板支护每排需要锚索的数量N[2]应：

其中：

K-安全系数；

P断-锚索拉断所需力，kN；

W-锚索需要悬吊的岩石重量，kN。

1501运输顺槽顶板支护采用直径为17.8mm的预应力钢绞线，锚索破断力为355kN，锚索需要悬吊的岩层重量为284kN，安全系数取2，带入式（5）可得N≥1.6，因此顶板支护每排至少两根锚杆。综上分析，初步确定1501运输顺槽采用锚杆锚索联合支护方式，顶板每排两根锚索。

3 锚杆锚索联合支护作用数值分析

为合理确定1501运输顺槽锚杆锚索联合支护的间排距、预紧力等相关参数，结合15#煤层具体的地质条件，采用FLAC3D模拟软件[3-4]建立锚杆锚索联合支护的数值模型。巷道埋深约280m，矩形断面宽×高=4500×2900mm，建立模型的尺寸（长×宽×高）为40×4×40m，煤层及顶底板选用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。模型边界条件：模型前后左右边界水平位移受到约束，底面边界为固定边界，上部边界施加垂直方向的均布载荷为7.0MPa。模型的详细情况如图2所示。

图2 三维数值模型

3.1 锚杆参数模拟分析

为确定1501运输顺槽锚杆锚索的最佳间排距，采用图2 所示的模型，在不同的支护参数下模拟1501运输顺槽的开挖，分别设计锚杆间排距为0.7m、0.8m、0.9m三种模拟方案。为分析顶角锚杆安装角度对于围岩控制效果的影响，顶角锚杆的角度分为向外倾斜30°和垂直顶板两种情况，每间隔两排锚杆施工一排锚索，每排两个，最终得到不同支护条件下顶板下沉量和顶板垂直应力的变化情况，如图3所示。由图3所示结果可知，随着锚杆间排距的增大，顶板的下沉量和垂直应力均逐渐增大。其中，间排距由0.7m增大到0.8m，顶板下沉量和垂直应力增大不明显，间排距继续增大至0.9m，其顶板下沉量和垂直应力明显增大。由此可知，锚杆间排距设计为0.8m较合理；顶角锚杆倾斜布置条件下，顶板下沉量和垂直应力明显大于顶角锚杆垂直布置，因此设计顶板锚杆垂直安装。

3.2 锚杆锚索预紧力模拟分析

为合理确定锚杆锚索安装时的预紧力，模拟锚杆间排距为800×800mm，锚索间排距为1900×3000mm，锚杆预紧力分别为40kN、60kN、80kN，锚索预紧力分别为100kN、200kN、300kN，采用正交实验法进行组合分析，最终得到图4所示的结果。由图4（a）所示结果可知，锚杆预紧力不变的情况下，顶板最大位移量和垂直应力随锚索预应力值的增大而减小，锚索预应力由100kN增大至200kN，锚杆预应力由40kN增大至60kN，顶板下沉量和垂直应力的减小最为明显。由此可知设计锚杆的预紧力设定为60kN左右，锚索预紧力为200kN左右最为合理。

图3 不同锚杆间排距条件下巷道顶板应力和位移变化图

图4 锚杆锚索预紧力分析

4 现场应用及效果分析

结合以上研究成果，最终设计1501运输顺槽支护详情如图5所示。顶板和煤柱帮锚杆采用规格为Ф20×2200mm的螺纹钢，工作面侧煤壁采用Ф20×2200mm的螺纹钢锚杆，锚索采用规格为Ф17.8×8400mm的预应力钢绞线。顶板锚杆间排距800×800mm，两帮锚杆为便于施工锚杆间排距设计为750×800mm，顶板锚索间排距1900×3000mm。锚杆预紧力为60kN，锚索预紧力为200kN。锚杆锚索均垂直岩壁安装。

图5 1501运输顺槽支护详情

1501运输顺槽采用锚杆锚索联合支护掘进过程中，进行为期70d的矿压观测，顶板最大下沉量约为16.5mm，两帮移近量最大约为15mm，顶板离层量为零，支护结构稳定，巷道安全可靠。总体来说，采取锚杆锚索联合支护方式的围岩控制效果良好。

5 结论

根据龙顶山煤矿15#煤层详细的地质条件，利用普氏坚固性系数对1501运输顺槽的围岩完整性程度进行评价。结果表明其围岩为中硬型围岩，采用挤压加固拱理论初步确定1501运输顺槽采用锚杆锚索联合支护方式。FLAC3D数值模拟研究得知，锚杆的合理间排距为800×800mm，顶角锚杆垂直顶板安装，锚杆预紧力为60kN左右，锚索预紧力为200kN。现场应用期间矿压监测结果表明，锚杆锚索联合支护技术能够有效地控制1501运输顺槽的围岩变形。