张云飞

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100）

山西煤炭进出口集团经坊煤业有限公司煤矿主采煤层为3#煤，采用综放开采，煤层厚度为3.58～6.46m，属于厚煤层开采，高瓦斯矿井，矿井通风风量需求比较高，故需要掘进大断面巷道。同时，由于此开采水平采区巷道掘进绝大部分属于煤巷掘进，巷道围岩、顶板更加松软破碎，更容易发生一些离层破坏现象。此时，巷道的支护设计难度比较大。

1 概况

3#煤层开采时，回风巷道设计宽度为4.5m，高度为3.2m，掘进断面积为14.40m2，且巷道沿煤层掘进，属大断面煤巷掘进。以往回风巷掘进大多采用传统的棚式支架支护，这是一种低强度和低刚度的被动支护方式，支架不能随着围岩变形起到支撑作用，导致围岩变形往往很大却得不到有效控制，不利于巷道的稳定和安全。针对此情况，必须对新掘巷道的支护方案进行针对性的研究。本文通过数值模拟，对此地质条件下的大断面煤巷掘进的支护进行了研究。

3#煤层基本顶为灰白色细粒长石砂岩，厚度一般为3.00～8.00m，有时相变为粉砂岩，含植物化石，单轴抗压强度为34.1～67.5MPa，平均为50.8MPa；直接顶为黑色泥岩，厚度一般为0.00～7.30m，含炭质和植物化石，单轴抗压强度为22.8～39.0MPa，平均为30.9MPa；直接顶底部常有厚度为0.04～0.16m的炭质泥岩或页岩伪顶，极易随采冒落。直接底为黑色泥岩，夹灰岩，厚度一般为3.00～5.00m，富含植物化石，局部地层沉积增厚，下部往往夹杂不稳定的4#煤层，且达可采厚度；基本底为砂岩，厚度一般为1.29～3.40m，由灰色细粒长石砂岩或粉砂岩组成，含泥质条纹或泥岩薄层，斜层理发育。

2 数值模拟模型建立与方案确定

2.1 模型建立

本次数值模拟采用有限差分FLAC3D数值模拟软件，用库伦-摩尔模型，模拟范围的长和宽分别为140m和140m，横向和纵向网格分别为148个和108个。模型的下表面位移恒定，上表面垂直应力为均布荷载，侧压力随开采深度的变化而变化。

2.2 模拟方案

本次模拟主要研究顶板锚杆的根数，以及锚杆的直径、长度、排距对回风巷道支护效果的影响，根据实际条件，共设置了14种方案，方案汇总如下表1所示。

表1 数值模拟方案汇总表

3 模拟结果分析

3.1 巷道无支护状态的模拟

巷道处于原岩状态而未采取任何支护的条件下，顶板和两帮的变形较大，剪切破坏较严重，顶板下沉较严重，可达506.7mm，而两帮的相对移近距离要更大，最大处为574.5mm，顶板和两帮会发生大面积的破坏，破坏深度较深，最大处达到了3.5m。围岩移动和破坏的状况如下图1所示。

3.2 顶板锚杆根数对支护效果的影响

顶板每排布置3根锚杆时，对顶板下沉和巷道两帮移近引起的剪切破坏改良不大，效果不明显，巷道变形仍旧很大。

每排增加到5根锚杆时，围岩的位移及破坏情况如图2所示。巷道顶板下沉量为181.9mm，减小了324.8mm，降低了64.1%，两帮煤体相对移近量为216.7mm，降低率达到了62.3%，对顶板和两帮的变形控制效果明显。顶板和底板的剪切破坏范围明显减小，分别为2.0m和1.5m，分别降低了42.9%和25%，两帮的剪切破坏区域消失，顶板和两帮的大面积拉断区域消失。巷道附近的水平应力和垂直应力均很小，支护效果较好。

顶板每排6根锚杆时，围岩位移和应力变化与布置5根时无明显区别，故顶板每排5根锚杆时较合理。

3.3 锚杆直径对支护效果的影响

模拟锚杆直径由Φ16mm～Φ22mm的变化过程，可发现开始时对顶板下沉和两帮移近的控制效果比较明显，直径从Φ20继续增大的过程中，顶板下沉和两帮移近继续缩小，但是变化幅度很小，从经济性和安全性角度考虑，锚杆直径取Φ20比较合理，围岩受力条件比较好，支护成本也较低。

3.4 锚杆排距对支护效果的影响

锚杆排距从0.7m到1.1m，顶板下沉量变化不大。排距从1.1m加大到1.3m，顶板下沉量增加了203.6mm，对支护效果影响比较明显。因此，1.1m是较合理的排距。锚杆排距为1.3m时，巷道变形和破坏状况如图3所示。

图1 无支护条件下围岩位移及破坏图

图2 顶板每排5根锚杆时围岩位移及破坏图

3.5 锚杆长度对支护效果的影响

由于巷道的顶板较破碎，巷道顶板有超过1m的顶煤，为保证顶板受力的整体性，锚杆长度选择2.4m，此时，顶板的下沉量最小，较破碎的顶板可共同作用，受力性能比较好。

4 巷道支护设计及效果评价

根据模拟结果，确定巷道锚杆形式和规格：锚杆长度2.4m，杆体采用20#螺纹钢，杆尾采用M22mm螺纹；采用130mm×130mm、厚度8mm的高强度拱形钢板托板；锚固方式采用两支加长树脂药卷，规格分别为K2335和Z2360，锚杆的锚固长度1.2m，钻孔直径略大于锚杆直径，取28mm；锚杆间距1m，排距0.9m，每排布置5根。

根据以上支护方案进行回风巷的支护，施工过程及后期未发生明显的矿压现象，顶板整体性较好，支护效果比较好。