基于断面形状效应的厚顶煤巷道支护参数优化

李晓斌，杨张杰，翟恩发，刘念全，王庆牛

(1.华兴能源有限责任公司 唐家会煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017006； 2.安徽省煤炭科学研究院，安徽 合肥 230001)

内蒙古西部矿区特厚煤层储量丰富，为了提高生产效率，目前西部矿区针对特厚煤层的开采，多采用综合机械化放顶煤开采工艺[1-2]，工作面回采巷道沿煤层底板掘进且多采用矩形断面[3-5]，巷道顶板为厚层煤体，加之综放设备趋于大型化，这类巷道不仅断面大，而且受采掘影响后顶板煤体易出现离层破碎、顶板两侧肩角锚杆易出现剪切破断等矿压显现象特征，支护问题突出[6-7]。

近年来，国内一些大专院校、科研单位及企业工程技术人员对厚顶煤巷道支护问题及巷道断面形状对围岩稳定性的影响均进行了多方面研究。何富连等[8]针对厚顶煤大断面巷道顶煤裂隙发育、变形强烈、破坏范围大、易发生离层和冒顶等问题，指出采用桁架锚索加强支护，可有效控制巷道围岩变形；李术才等[9]针对巨野矿区深部高地应力厚顶煤巷道支护特点，提出了“先抗后让再抗”的支护理念；韩现民等[10]通过数值计算和现场试验，对马蹄形断面和大曲率边墙、似圆形断面形式下隧道的支护受力和围岩变形特征进行了对比分析，得出采用似圆形断面可以有效地控制围岩的变形量和变形速率；李桂臣等[11]对矩形、直墙半圆拱形等6种巷道断面形状进行了数值模拟，提出了巷道支护“等效开挖”和“无效加固区”的概念。然而上述研究多集中于巷道断面形状对围岩稳定性的影响及厚顶煤巷道围岩变形控制问题，而对于决定厚顶煤巷道最终破坏形式的巷道顶板两侧肩角处剪切破坏仍未引起足够重视[12]。笔者以唐家会矿61201运输巷为工程背景，在对矩形和直墙平顶肩角微拱形厚顶煤巷道应力分布特征进行对比分析的基础上，提出了巷道断面形状优化方案及合理支护参数。

1 工程概况

61201综放面位于唐家会矿首采盘区西翼，工作面东至6煤回风大巷，西至井田边界，北至首采盘区北边界以北62 m，南至首采盘区北边界以南215 m。61201运输巷长2 100 m，平均埋深523.6 m，巷道沿6煤底板掘进，为全煤巷道。

6煤厚度10.4～25.0 m，平均厚17.5 m，煤层倾角1°～3°，平均2°，煤层内不仅原生裂隙发育，且含有多层泥岩夹矸，夹矸厚度不稳定，强度低；巷道直接顶为砂质泥岩，厚度2.4～3.2 m，平均厚2.8 m；基本顶为富水中细砂岩，厚度4.75～18.30 m，平均厚8.76 m；直接底为砂质泥岩，厚度3.99～7.12 m，平均厚5.49 m；基本底为细砂岩，厚度10.28～12.57 m，平均厚11.68 m。

61201综放工作面运输巷初步设计采用矩形断面，锚索网支护，巷道净断面5.5 m×3.8 m。顶板锚杆规格φ20 mm×2 500 mm，巷帮锚杆规格φ18 mm×2 200 mm，顶板锚索规格φ21.6 mm×8 300 mm；顶板锚杆与锚索均布置在顶板W5钢带上，每排共布置7根锚杆(索)，顶板锚索按“3-1”布置，即第1排W5钢带上1、4、7号孔眼位置布置锚索，第2排W5钢带上仅巷中4号孔眼布置锚索，其余位置布置锚杆，如此类推；顶、帮锚杆(索)间排距均为800 mm×900 mm。

根据矿压观测及巷道支护调查，该巷道矩形断面支护段围岩变形具有如下特点：①巷道成型差。由于6煤原生裂隙、特别是纵向裂隙发育，巷道掘进时掘进面煤壁片帮严重，巷道成型差；②巷道变形快、顶煤破碎严重。根据钻孔窥视(图1)，巷道掘进仅7 d，顶板浅部1.5 m范围内的煤体便发生了明显离层破碎现象。

图1 矩形断面段顶板钻孔窥视Fig.1 Borescope of rectangular section roof

巷道顶板两侧肩角锚杆剪断频现，兜网明显。由于矩形断面巷道肩角易形成应力集中，顶板两侧肩角锚杆因剪切破断，锚杆托板脱离岩面，从而造成顶板两侧肩角金属网出现兜网现象。

综上，虽然61201综放工作面运输巷围岩变形与6煤地质条件及锚网支护参数设计有关，但巷道顶板两侧肩角锚杆剪切破断，是造成巷道变形破坏的关键因素之一。

2 断面形状对巷道稳定性影响数值模拟

为了掌握不同断面形状对巷道稳定性的影响，采用UDEC4.0软件，对矩形和直墙平顶肩角微拱形厚顶煤巷道应力分布特征进行了分析。

2.1 模型的建立

根据61201综放工作面运输巷地质条件，建立长110 m、高50 m计算模型，模型两侧限制水平方向移动，模型底边限制水平方向和垂直方向移动，模型上表面为应力边界，用来模拟上覆岩体自重。材料破坏遵循Mohr-Coulomb强度准则，煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩层物理力学参数Tab.1 Physico-mechanical parameters of coal and rock strata

2.2 模拟方案

为便于厚顶煤巷道综掘机施工，模拟方案分2种工况。

工况一：巷道断面形状为矩形，净断面规格为5.5 m×3.8 m，巷道沿6煤底板掘进，支护形式为锚索网支护。

工况二：巷道断面为直墙平顶肩角微拱形，肩角微拱半径为0.8 m，净断面规格为5.5 m×3.8 m，巷道沿6煤底板掘进，支护方案与参数与工况一相同。

在巷道顶板、肩角、帮部煤体内设置监控测线监测巷道围岩应力及位移，每条测线10 m，每条测线上设置20个点，单根测线上测点间隔0.5 m(图2)。

图2 监控测线布置Fig.2 Monitoring line layout

2.3 应力分布

矩形断面和直墙平顶肩角微拱形断面巷道围岩应力分布如图3和图4所示。由图3和图4可以看出，巷道开挖后，由于应力的重新分布，围岩应力在距离巷道周边一定距离集中并呈近似连续包络分布，沿巷道径向方向上由近及远依次可划分为应力降低区、应力集中区和原岩应力区。应力降低区位于巷道浅部，工况一矩形断面巷道4个边角的浅部应力值均超过16 MPa(大于原岩应力值13 MPa)，表明上述位置存在应力集中现象；而工况二直墙平顶肩角微拱形断面巷道除底板两侧浅部边角处围岩的应力值超过16 MPa外，顶板两侧肩角处的应力值均小于8 MPa，肩角处无应力集中，有利于防止支护结构体受剪切破坏。

图3 矩形断面应力分布Fig.3 Stress distribution of rectangular section

图4 直墙平顶肩角微拱形断面应力分布Fig.4 Stress distribution of micro-arch section with flat top shoulder angle of vertical wall

另外，从巷道浅部应力降低区范围来看，矩形断面顶板应力降低区范围为1.5 m，两帮0.5 m，底板1.0 m。直墙平顶肩角微拱形断面顶板应力降低区范围为1.0 m，两帮0.4 m，底板1.0 m，虽然2种断面底板应力降低区范围一致，但直墙平顶肩角微拱形断面顶、帮应力降低区范围明显比矩形断面小。由于应力降低区是由巷道围岩松动卸压引起的，应力降低区范围大，巷道围岩的松动范围也越大，说明直墙平顶肩角微拱形断面巷道顶板煤体的松动范围较矩形断面小。

综上，直墙平顶肩角微拱形断面巷道与矩形断面巷道相比，不仅顶板两侧肩角无应力集中，而且顶、帮煤体松动范围均有所减小，尤其顶煤松动范围减小明显，说明直墙平顶肩角微拱形断面有利于维护巷道围岩稳定。

3 巷道支护对策及参数优化

3.1 巷道支护对策

针对61201综放面运输巷围岩变形特征，并结合断面形状对厚顶煤巷道围岩稳定性影响数值模拟分析，该巷道支护应采取以下技术对策。

(1)优化巷道断面形状。为改善顶板受力状态，避免矩形断面顶板两侧肩角应力集中，将巷道断面由矩形优化为直墙平顶肩角微拱形。

(2)控制煤壁片帮。根据直墙平顶肩角微拱形断面特点，利用锚杆锚索将顶板W钢带和帮部钢筋梯子梁在两侧肩角微拱处搭接成整体支护结构，不仅可提高顶板肩角处围岩的稳定性，而且有利于控制煤壁片帮，有利于巷道成型。

(3)防止厚顶煤沿煤帮整体垮落。利用W5钢带组合多根锚杆和锚索形成桁架斜拉结构[13-14]，该技术的实质，就是在巷道顶板同1根W厚钢带两侧肩窝孔内各设置1根外扎750的斜拉锚索，使顶板支护结构体形成类似于桁架的斜拉结构，从而可避免厚顶煤沿煤帮整体垮落。

3.2 巷道支护参数优化

根据61201综放工作面运输巷地质条件及支护对策，巷道断面设计为直墙平顶肩角微拱形，净高3.8 m、净宽5.5 m。运用锚杆支护围岩强度强化理论进行巷道支护参数优化，顶板采用W5钢带组合锚杆、锚索形成桁架结构，巷帮采用钢筋梯子梁组合锚杆，顶板W5钢带和巷帮钢筋梯子梁在顶板两侧肩角微拱处搭接；顶板锚杆规格φ20 mm×2 500 mm，巷帮锚杆规格φ18 mm×2 200 mm，顶板锚索规格φ21.6 mm×8 300 mm；顶板锚杆与锚索均布置在顶板W5钢带上，每排共布置6根锚杆(索)，顶板锚索按“3-1”布置，顶板锚杆相应按“3-5”布置，如此类推；顶板锚杆(索)间排距为950 mm×1 000 mm，巷帮锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，巷道顶板中部锚索垂直顶板，两侧斜拉锚索外扎750 mm(图5)。

图5 巷道支护优化设计Fig.5 Optimization design of roadway supporting

4 工程应用

支护设计及参数优化方案在61201综放面运输巷实施后，为验证支护效果，在巷道掘进和工作面回采期间设置位移观测站对巷道围岩变形进行了观测(图6—图7)。

图6 掘进期间优化方案巷道变形曲线Fig.6 Roadway deformation curve of optimized scheme during excavation

由图6可以看出，在巷道掘进80 d时间内，巷道顶板煤体下沉量最大不超过20 mm，达到15 mm时就趋于稳定，两帮移近量最大不超过40 mm，达到35 mm时就趋于稳定；根据钻孔窥视，掘进期间顶板煤体几乎无离层，也未发现锚杆发生破断现象。

图7 回采期间优化方案巷道变形曲线Fig.7 Roadway deformation curve of optimized scheme during mining

由图7可以看出，在61201综放工作面回采期间，巷道受工作面采动超前支承压力影响范围最大为45 m，剧烈影响范围最大为20 m，顶底板累计移近量仅220 mm，两帮移近量仅150 mm；而且回采期间巷道顶板两侧肩角锚杆也极少出现剪切破断现象。

综上，在优化巷道断面形状的基础上，通过W钢带组合锚索形成桁架斜拉结构及通过锚杆锚索将顶板W钢带和巷帮钢筋梯子梁组合成整体结构后，不仅加强顶板煤体和巷帮煤体的协同支护作用，提高了顶板两侧肩角处围岩的稳定性，而且有利于控制煤壁片帮，有利于巷道成型，支护效果显著。

5 结论

(1)直墙平顶肩角微拱形断面巷道与矩形断面巷道相比，不仅顶板两侧肩角无应力集中，而且顶、帮煤体松动范围均有所减小，尤其顶板煤体松动范围减小明显，说明直墙平顶肩角微拱形断面有利于维护厚顶煤巷道围岩稳定。

(2)裂隙发育厚顶煤巷道顶板及两帮均为松软破碎煤体，巷道掘进时煤壁片帮严重，将顶板W钢带和帮部钢筋梯子梁通过锚杆、锚索实现搭接布置，不仅提高了厚顶煤巷道围岩的整体承载能力，而且有利于控制煤壁片帮，有利于巷道成型。

(3)在优化巷道断面形状的基础上，以W钢带组合锚索所形成的桁架斜拉结构为支护主体的优化方案，经现场应用结果表明，无论是厚顶煤巷道掘进期间还是综放工作面回采期间，巷道围岩控制效果明显，能满足综放工作面安全高效开采需要。