底抽巷快速掘进支护关键参数研究

辛晓东,王 荣

(潞安化工集团能源事业部 李村煤矿，山西 长治 046600)

锚杆锚索支护技术问世以来，在煤矿支护中得到了广泛应用，随着支护技术的不断发展，为煤矿安全高效生产奠定了基础[1-3]。面对地质条件复杂的巷道，矿井普遍通过加大锚杆、锚索的支护密度来提高巷道的支护强度，但未能有效解决巷道的变形问题，还会增加支护时间，造成掘进缓慢[4-6]。本文以李村煤矿底抽巷为研究背景，通过对空顶距等关键参数进行研究，减少了作业时间，实现了快速掘进。

1 工程背景

李村煤矿3301进风底抽巷沿着3号煤底板下方10 m位置沿底板掘进，设计长度1 438.37 m，用于瓦斯提前预抽，掩护3301进风巷掘进，其巷道布置位置如图1所示。3301进风底抽巷设计为直墙半圆拱形断面，掘进断面为13.57 m2，掘进宽度4 500 mm，掘进高度3 500 mm。3号煤层厚度平均为5 m，倾角平均为10°，直接顶为砂质泥岩，直接底为泥岩，节理不发育，层理稳定。

图1 3301进风底抽巷位置布置

2 合理空顶距的确定

借助FLAC3D数值模拟软件，结合3301进风底抽巷实际地质条件，构建计算模型，见图2。采用 Mohr -Coulomb屈服准则，且对模型下、左及右边界进行固定位移约束，其尺寸大小为：x方向30 m，y方向50 m、z方向64 m。根据煤岩体力学实验及相关地质资料，总结可得表1参数，进行相应分组赋参，分别得出1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m及 3.5 m循环进尺空顶距条件下模型各顶板垂直应力云图及垂直位移云图(见图3、图4)。

图2 数值模拟模型

图3 不同循环步距时顶板垂直应力云图

图4 不同循环步距时顶板垂直位移云图

表1 模型物理力学参数

由图3可知，巷道掘进后的垂直应力分布在迎头处有明显的应力集中现象，即在掘进工作面前方由应力局部增高，应力集中效应主要分布于迎头前方15 m到后方5 m的范围内，在应力集中区域前方依旧处于原岩应力，而已支护区域逐渐稳定。

由图4可知，在循环步距为1 m及1.5 m条件下时，掘进迎头处巷道顶板并未发生明显的下沉，且未支护区域内的顶板下沉量比支护段的还要小；在循环步距为2 m、2.5 m及3 m条件下时，距离掘进迎头3m空顶区内发生了较为明显的顶板下沉，其中下沉最大值位于距迎头1 m处；若将循环步距扩大到3.5 m，在空顶区域内发生了明显的顶板下沉，顶板下沉的最大值也是位于距离迎头1 m处。结合模拟分析结果，利用工程类比法，确定3301进风底抽巷选取3 m为掘进空顶距。

3 支护方案设计

3.1 锚杆间距

在巷道断面大小不变的条件下，若缩小锚杆间距，为使得巷道支护强度均匀分布，一定程度上会增加锚杆的数量，巷道附近由于锚杆支护作用形成的预应力场也会随之变化。如图5所示，若锚杆间距为1 000 mm，锚杆间形成的压应力场未能很好地形成完整的应力场。适当减小锚杆间距，当锚杆间距为900 mm时，锚杆间压力场能形成整体支护结构；当锚杆间距继续减少至800 mm时，并未能加大锚杆压应力的控制范围，反而还要加大支护成本。因此，顶板锚杆间距采用900 mm布置较适宜。

图5 顶锚杆间距不同时巷道顶板的预应力场分布

由于在直墙仅高1 250 mm，基于顶板锚杆间距为900 mm能形成完整的预应力场，根据巷道的几何参数，可知在帮部布置1根锚杆与顶锚杆形成的预应力场能有效组合。

3.2 锚杆排距

当锚杆排距为1 900 mm时，同一断面的锚杆所形成的压应力场能有效形成一个整体，而相邻两排的锚杆压应力区不能有效连接在一起(见图6)。在排距为1 300～1 700 mm时，同一断面的锚杆所形成的压应力场之间能实现衔接，且邻近两排锚杆的压应力场也能相互形成一个完整有效的应力承载结构，从而扩大预应力扩散的范围，巷道轴向上的围岩通过锚杆将能有效支护。

图6 不同锚杆排距时围岩的预应力场分布

结合对合理空顶距的研究，考虑到一定的安全系数，选取锚杆排距为1 500 mm，在3 m合理空顶距条件下，能够实现“掘二支二”，节省掘支时间，进一步提高掘进效率。

3.3 锚索布置方式

由图7可知，当锚索采用2-0-2布置方式时，锚索端部能有效形成压应力区，其最大值可达0.16 MPa，但是该压应力区的作用范围未能使得巷道在径向上连接为一个整体，不能实现良好的支护；当顶板锚索采用2-2-2或者2-1-2布置方式时，在锚索端部形成的压应力区域可在巷道的轴向、径向上都能同时连接起来，形成整体的顶板稳定结构，有明显的支护效果，其中考虑到材料的消耗及支护工作时间的消耗，最后确定2-1-2布置方式作为在“掘二支二”快速掘进方案下的锚索布置方式。

图7 3301进风底抽巷不同顶板锚索排列方式时围岩的预应力场分布

4 现场应用分析

在3301进风底抽巷现场采用上述支护方案，对巷道表面位移及锚杆、锚索受力进行监测，其监测结果见图8、图9。

图8 巷道表面位移-推进度

图9 锚杆(索)受力情况

由图8及图9可知，锚杆、锚索可协同承载，先增加后趋于稳定，与围岩变形时间曲线趋势相吻合，表明支护结构与围岩形成统一的承载体，保证了巷道围岩稳定，说明支护方案和支护参数的选择是合理的。

5 结 语

利用FLAC3D数值模型软件分析不同空顶距下巷道顶板的应力环境及顶板下沉情况，确定李村煤矿3301进风底抽巷合理空顶距为3 m、锚杆采用900 mm×1 500 mm的间排距、锚索采用2 400 mm×3 000 mm的间排距及2-1-2的布置方式，围岩变形控制良好，掘进速度明显提高，实现了矿井安全、高效的生产目标。