大断面弱胶结软岩巷道支护技术研究

华鹏飞

（大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037000）

山西同煤集团晋华宫煤矿现主采的12-2#煤层属侏罗纪中统大同组含煤地层，煤层直接顶为泥岩，软化系数0.94，基本顶为细砂岩，孔隙度2.30%～3.70%，软化系数0.68～0.96。受成岩年代及地质环境等多因素影响，煤层顶板岩石遇水易软化，是典型的弱胶结软岩。弱胶结软岩具有强度低、孔隙率大、孔隙水丰富、物理化学活性强、易风化等特性，使得弱胶结软岩巷道具有围岩自承载能力差、自稳时间长、易变性、流变特征明显等特点。若采用传统的支护方式，巷道易出现冒顶、底臌、两帮及顶板收缩量大等问题，严重威胁矿井安全生产。因此，有效维持弱胶结软岩巷道稳定，是晋华宫煤矿安全开采中亟待解决的难题之一。

1 概况

2103巷沿12-2#煤层顶板掘进。12-2#层煤层赋存稳定，结构简单，整体呈单斜构造，属侏罗纪中统大同组含煤地层，煤层走向近北东，倾向北西，煤层倾角3°～ 12°，平均7°，煤层厚度5.0～6.8m，平均5.72m，硬度系数3.0。

2103巷井下位置位于12-2#层301扩区，南至12-2#层301盘区回风巷，西部为8101回采工作面，东部、北部均为实体。2103巷上覆7-4#层8103综采采空区，低洼处可能有少量积水，上覆7-3#层为本矿8604综采采空区，上覆3#层为实体，上覆2#层为刀柱采空区，12-2#与7-4#层层间距约51m，12-2#与7-3#层层间距约81m。巷道断面为矩形，设计尺寸毛宽×毛高=5.4m×3.9m。

2 支护参数计算

设计采用锚杆+锚索+金属网支护方式。

（1）锚杆长度计算

式中：

L1-锚杆外露长度，取0.15m；

L2-围岩松动圈范围，根据矿井实测数据，取1.5m；

L3-锚杆伸入围岩松动圈外的长度，取0.6m。

经计算，L顶=2.25m，实际采用Φ=22mm、L=2400mm高强锚杆。

l'为两帮有效承载区深度：

式中：

Z-帮锚杆伸出有效承载区的最小锚固深度，取0.6m；

f-煤体普氏系数，取1.56；

B-巷道跨度，取5.4m；

l1-帮锚杆外露长度，取0.15m。

经计算，L帮=2.06m，实际采用Φ=22mm、L=2400mm高强锚杆。

（2）锚杆间排距计算

P为顶板锚杆单根锚固力

式中：

σb-锚杆屈服强度，540MPa；

a-锚秆直径，22mm；

K-安全系数，取2.0；

D—松动圈范围，取1.5m；

γd-顶板岩石容重，23.2kN/m3。

经计算，Ps=0.34根/m2，结合巷道宽度、施工组织、矿井邻近采区经验等，取锚杆间排距为1000×1000mm。

（3）锚索参数

根据矿井生产实际，顶锚索选用Φ=22mm、L=7300mm钢绞线锚索，帮锚索选用Φ=22mm、L=4300mm钢绞线锚索，间排距均为2000×2000mm。

3 数值模拟验证

（1）模型建立

依据301扩区2103巷的地质资料，采用FLAC3D数值模拟软件，对支护方案进行数值模拟。模型采用cable单元模拟锚杆和锚索。由于巷道垂深为400m，上覆岩层容重平均按25kN/m3计算，因此模型边界垂直应力按10MPa计取。具体参数见表1、表2。

表1 支护方案参数

表2 煤岩层力学参数

（2）数值模拟分析

数值模型建立后，对岩体进行开挖。巷道开挖宽度5.4m，高度3.9m。

图1 锚杆支护断面应力图

图2 锚索支护断面应力图

图1分别反映了锚杆、锚索支护断面应力图，图1中2.4m长的顶锚杆刚刚穿过最大应力集中区，2.4m长的帮锚杆端头所在区域应力也比较大；图2中的顶锚索端头距应力集中区较远，帮锚索端头也距应力集中区较远，说明顶锚索和帮锚索端头锚固处的围岩是稳定的。

图3 Z方向位移矢量图

图3表明巷道顶板和两帮位移量较小，但是底板存在较明显的位移。

4 支护参数确定

（1）顶锚杆布置方式

顶锚杆每排6根，边上两根距巷帮200mm，采用锚固长度为1675mm的加长锚固，顶板锚杆安设角度与顶板垂直，顶部加挂W形钢带和钢筋网。W形钢带由钢板压制成形，型号为W280×400/4。钢筋网采用Ф=6.5mm钢筋制作，网格为100mm×100mm。

（2）帮锚杆布置方式

帮锚杆每排每帮4根，距顶板300mm，距底板600mm。加长锚固，采用锚固长度为1675mm的加长锚固，巷帮锚杆安设角度与巷帮垂直，煤帮加挂钢筋网。钢筋网采用Ф=6.5mm钢筋制作，网格为100mm×100mm。

（3）顶锚索的布置方式

每排3根，边上两根距巷帮700mm。为了能够充分发挥锚索、锚杆组合支护效果，在锚索与锚索之间加挂W形钢带和钢筋网。W形钢带型号为W280×400/4。

（4）帮锚索的布置方式

每排4根，两帮各2根，矩形布置，上部锚索距顶板800mm，帮部锚索距底板超过1.5m时，进行补打锚索。

巷道支护断面如图4所示。

图4 2103巷支护断面图

5 支护效果

2103工作面回采期间，采用“十字布点”法对2103巷道顶板、两帮及底板变形量进行了观测。观测数据表明，巷道顶板最大下沉量为222mm，两帮最大位移量为189mm，巷道底鼓最大量为259mm。巷道两帮位移量较小，顶底板位移量比较明显，但巷道变形量在可控范围内，和数据模拟分析得出结论一致，表明支护方案及参数合理。

6 结 语

2103弱胶结软岩回采巷道采用高强度锚杆+锚索+钢筋网的联合支护方案，支护设计合理。数值模拟及后期实际矿压监测数据显示，围岩变形在合理范围内，能够满足安全生产的需要，大大减少了巷道的维护费用及返修量，取得了较好经济效益，可在类似的弱胶结软岩回采巷道中推广应用。