煤巷锚杆支护设计及数值模拟

张建军

（山西阳城阳泰集团小西煤业有限公司，山西 晋城 048000）

全煤巷道在掘进过程中破坏了原煤体应力平衡状态，使煤岩体内应力在巷道开挖空间进行释放。地应力在释放时对巷道围岩产生破坏作用，在巷道围岩内产生松动圈，围岩产生应力显现现象，主要表现在两帮收缩、底板鼓起、顶板下沉破碎等。煤矿巷道中主要采用锚杆、锚索、钢棚、注浆等支护方式进行围岩维护，但是在实际支护中由于对巷道煤岩体破坏程度了解不够，支护措施对围岩破坏区无法进行有效支护，导致支护效果差，无法满足巷道安全快速掘进需求。本文以小西煤矿3107巷为例，合理分析了巷道围岩破碎情况，并采取合理的锚杆支护措施。

1 概况

山西阳城阳泰集团小西煤业有限公司3107 进风顺槽位于井田一盘区西翼，巷道设计长度1200 m，巷道断面规格为宽×高=4.5×4.0 m，巷道掘进煤层为3#煤层，煤层平均厚度为4.0 m。3#煤直接顶为细粒砂岩、砂质泥岩，局部为粉砂质泥岩、泥岩或泥质粉砂岩，平均厚度为4.5 m；基本顶为灰色细粒砂岩、泥岩互层，平均厚度为7.45 m。

3107 进风顺槽沿3#煤层顶底板掘进，施工巷道北部为3107 回风顺槽（已掘进到位），东部为一盘区轨道巷、胶带大巷、回风大巷，南部为3107胶带进风顺槽（已掘进到位），西部为回采煤层。由于3107 进风顺槽与3107 胶带进风顺槽间隔预留煤柱宽度为20 m，3107进风顺槽布置在应力集中区，且巷道为全煤巷掘进，受应力影响巷道围岩煤体稳定性差，围岩破碎严重，支护效果差。

2 围岩观察分析

为了深入了解3107 进风顺槽围岩破碎情况，决定对围岩煤体施工窥视孔，并对其孔壁成型情况进行观察。

2.1 窥视孔布置参数

（1）在3107 进风顺槽共计布置两组测点，分别位于巷道开口处以及巷道掘进20 m 处。每组测点布置三个窥视孔（1#、2#、3#），其中1#、2#窥视孔布置在巷帮上，3#窥视孔布置在顶板上。

（2）1#窥视孔为左帮窥视孔，2#为右帮窥视孔，1#、2#孔布置在距顶板1.5 m 处巷帮上，孔直径为32 mm，深度为5.0 m，窥视孔垂直巷帮布置。3#窥视孔布置在巷道中部顶板上，钻孔直径为32 mm，深度为8.0 m，垂直顶板布置。

2.2 窥视孔孔壁观察

（1）窥视孔施工完毕后，采用钻机对钻孔进行吹屑，吹屑时间为3～5 min。吹孔后保证孔内粉尘散去，以免影响孔内能见度及窥视效果。

（2）吹孔完成后，采用CHK7.2（B）型钻孔成像仪对窥视孔孔壁进行观察。先将钻孔窥视仪探头与安装杆连接、传输线与测位仪连接，然后将探头插入钻孔，观察不同深度围岩应力破碎情况。

2.3 窥视结果分析

（1）顶板情况。顶板钻孔窥视录像显示，顶板往上1.2 m 范围内泥岩局部存在裂隙；在1.2～4.27 m范围内内岩体较完整，仅存在一条较小的裂隙；在4.27～8.0 m 范围内岩体未出现破坏现象。整体来说，顶板围岩完整性较好。

（2）右帮。右帮煤体钻孔窥视录像显示，在钻孔深0～0.4 m 处，破碎明显，呈块状破碎状态；0.4～1.5 m 处煤体破碎程度高，完整性差；1.5 m 范围外煤体破碎程度较低，整体完整性好。

（3）左帮。左帮煤体钻孔窥视录像显示，在左帮钻孔深度0～1.7 m 范围内煤体完整性好；在1.7～2.0 m 范围内，煤体破坏严重；在2.0 m 范围外，煤体破碎程度较低，整体完整性好。3107 进风顺槽围岩整体破碎情况断面示意图如图1 所示。

图1 3107 进风顺槽围岩整体破碎情况断面示意图

3 锚杆（索）支护设计

3.1 支护方案

3.1.1 巷帮支护

（1）通过施工窥视孔对巷帮围岩观察发现，在左帮垂直深度1.5 m 范围内煤体破碎严重，在右帮垂直深度2.5 m 范围内煤体破碎严重。所以决定对左帮采用长度为2.0 m、直径为20 mmHRB335 型螺纹钢锚杆。锚杆屈服强度为335 MPa，抗拉强度为490 MPa，拉断载荷为153.9 kN，延伸率为16%，每排布置4 根，间距为0.9 m，排距为1.0 m。

（2）为了适应右帮大变形围岩条件，提高支护与变形围岩的耦合作用，决定对右帮采用长度为2.5 m、直径为20 mmHRB500 型螺纹钢锚杆。锚杆屈服强度为500 MPa，抗拉强度为670 MPa，拉断载荷为254.7 kN，延伸率为16%，每排布置4 根，间距为0.9 m，排距为1.0 m。

（3）巷帮锚杆托板采用长度为0.48 m、宽度为0.25 m“W”型钢带，采用150×150×8 mm 的方形托板及1010 尼龙垫圈进行预紧。

3.1.2 顶板支护

（1）由图2 可知，在巷道顶板1.0 m 范围内顶板稳定性差，在1.0 m 以外顶板岩体相对稳定。所以决定对顶板采用长度2.5 m、直径22 mmHRB600型螺纹钢锚杆。锚杆屈服强度为600 MPa，抗拉强度为800 MPa，拉断载荷为304.1 kN，延伸率为16%，每排布置5 根，间排距为1.0 m。

（2）顶板锚索采用1×19 结构、直径为21.6 mm、长度为6.0 m 的高强度钢绞线，设计拉断载荷为583 kN，延伸率为7%。每排布置3 根，锚索间距为1.8 m，排距为3.0 m。

（3）顶板同一排锚杆采用钢筋梯子梁进行固定预紧。钢筋直径为18 mm，梯子梁宽度为0.15 m，长度为4.2 m。在安装锚杆的位置焊接上两道纵筋，纵筋间距为0.1 m。

3.2 支护效果分析

为了直观地对3107 进风顺槽采取锚杆（索）支护后围岩应力变化情况进行分析，决定采用FLAC3D数值模拟软件进行建模、模拟。

（1）巷道开挖后在支护前通过分析发现，巷道开挖中破坏了原来的应力平衡状态。随着时间的推移，巷道围岩内部应力重新分布，巷道围岩变形增大，靠近巷道周边围岩产生屈服破坏，顶板屈服范围约为2.5 m，两帮屈服范围约为1.5 m，顶板和两帮围岩屈服破坏深度均达到较大范围。巷道极易产生破坏，两帮严重片帮，顶板下沉量最大为61.8 mm，底鼓量最大为92.1 mm，两帮移近量124.0 mm。

（2）巷道采用锚杆（索）支护后，在锚杆支护挤压加固和整体锚固作用下，将顶板和两帮围岩屈服破坏范围形成整体锚固结构体，巷道围岩的屈服破坏情况以及垂直应力情况得到有效控制和改善。支护后垂直应力最大值降低为5.56 MPa，如图2 所示。锚杆锚索联合支护条件下顶板下沉量控制在20.1 mm，底鼓量最大为16.3 mm，两帮移近量24.8 mm。

图2 巷道锚杆（索）支护后围岩垂直应力分布图

4 结论

通过对3107 进风顺槽全煤掘进期间围岩变形、破坏情况进行观察，提出了合理有效的锚杆（索）支护设计。利用FLAC3D数值模拟软件分析了煤巷围岩支护后应力变化及变形情况，证明采取支护措施后，控制了围岩变形、破坏现象，降低了围岩应力作用，保证了应力区煤巷安全快速掘进。