康松涛

（大同煤矿集团有限责任公司安监局 山西大同037003）

随着我国煤矿开采强度与规模显著增加，以及综采放顶煤开采技术作为一种主要的高产高效开采方法得到大面积推广应用，综采放顶煤工作面要求回采巷道沿煤层底板掘进，巷道顶板是煤层，煤层相对于岩石比较松软、破碎，显著增加了巷道的支护难度。此外，随着煤矿开采强度与产量的大幅度提高，要求的巷道断面越来越大，给巷道的掘进与支护增加了一定的难度。随着技术的进步，锚杆支护在一般条件下的大断面巷道、煤顶和全煤巷道、沿空掘巷、松软破碎围岩巷道等困难条件得到成功应用，显著提高了巷道支护效果，降低了支护成本，为采煤工作面的快速推进，矿井实现高产高效创造了良好的条件[1-2]。但大同矿区石炭系3-5#煤层属特厚煤层，受火成岩侵入范围占其面积的将近二分之一，煤层受煌斑岩侵入后受热变质硅化，造成煤层有益厚度变薄，正常情况下煤层顶、底板岩性一般为高岭岩、高岭质泥岩、砂质泥岩和炭质泥岩，局部为细粒砂岩或粉砂岩，受到火成岩侵入后，煤层被熔融，附近未被直接侵入的煤层则受到高温烘烤，受热而发生变质、硅化，使煤质疏松易碎、易片帮。巷道沿煤层底板施工，受火成岩侵入体的影响，经常导致顶煤垮落，锚杆锚索锚固困难，极难维护。急需进行受火成岩影响条件的巷道支护研究，为煤矿巷道支护的科学决策提供依据，从而保证采掘工作的正常进行。

1 现场工程技术概况

以永定区煤业公司盘区皮带巷为研究对象，巷道沿煤层地板掘进，由于服务年限较长，巷道设计为半圆拱形断面，掘宽4.3 m、净宽4 m，掘高3.45 m、净高3.3 m。火成岩床侵入几乎占据整个区域，基本为串珠状交错侵入，对煤层破坏较大，致使有益煤层厚度变为4.0 m～18 m，火成岩侵入的夹石有3～10层，厚度为0.1 m～1.0 m，岩性大多为煌斑岩，结构致密，硬度大。其3-5#煤层老顶为含粒粗砂岩，厚度21.4 m，成分以石英，长石为主，分选性差，孔隙含水，直接顶为粉砂质泥岩、粉砂岩，厚度为2.18 m，参差状断口，含石英，泥质胶结，直接底为粉砂岩、粗砂岩，厚度7.76 m，石英为主，分选差。由于火成岩的侵入破坏，上部煤层遭受热变质或硅化，煤层结构趋于复杂化，上部煤层结构疏松、易碎[3]。

2 巷道支护的数值模拟研究

2.1 模拟方案的制定

对巷道基本支护形式进行数值模拟计算和优化。数值计算采用FLAC3D有限差分软件进行模拟，模拟采用的两种支护方案分别为：方案一：锚杆间距0.8 m，排距0.7 m，长度2.2 m；锚索长度8 m，间排距为1.6 m×1.4 m。帮锚杆长度2.0 m，间排距0.8 m×0.7 m。方案二：锚杆间距0.8 m，排距0.85 m，长度2.4 m；锚索长度6 m，间排距为1.6 m×1.7 m。帮锚杆长度2.0 m，间排距0.8 m×0.85 m。

2.2 模拟计算结果分析

在巷道施工过程中，巷道顶底板位移量的监测，对巷道安全施工非常关键，同时也是对支护设计的最直接检验。考虑到实际工程进展和施工工艺，结合数值模型的边界条件与现实情况的差别，选择模型中巷道中段y=50 m处围岩为研究对象，记录该段每天的顶底板移近量。在巷道施工过程中，两帮收敛量的监测，对巷道安全施工亦非常关键，同样，选择模型中巷道中段y=50 m处围岩为研究对象，记录该段每天的两帮收敛量。模拟的顶底板移近量曲线如图1所示，巷道两帮收敛曲线如图2所示。

图1数值模拟的顶底板移近量曲线

图2数值模拟的巷道两帮收敛曲线

从顶底板移近量曲线可以发现，顶底板移近量从开始监测就基本上是按线性变化的；开始时掘进施工对巷道的顶底板位移有较大影响，随着掘进面往远处推进这种影响也越来越弱，然后逐渐趋于稳定。模拟的结果显示，方案一的垂直位移变形量要小于方案二。而从巷道两帮的收敛曲线图可以发现，短时间看方案水平位移的最大变化量接近一致，但方案二的水平变形影响范围更大，随着时间的推移，可能出现由影响范围向影响程度的转化，这种影响趋势不利于巷道的长久稳定。

3 现场支护方案的确定及效果分析

3.1 现场实际支护及检测方案

根据模拟研究的结果最终选择方案1为现场实际采用的支护方案，即：锚杆间距0.8 m，排距0.7 m，长度2.2 m；锚索长度8 m，间排距为1.6 m×1.4 m。帮锚杆长度2.0 m，间排距0.8 m×0.7 m，为解决火成岩侵入区域锚索难以正常打注的难题，采用新型中空注浆锚索，采用水泥-水玻璃注浆，水泥采用425#硅酸盐水泥，波美度0.45的水玻璃。如图3所示。

图3现场实际支护方案图

为检验支护效果，在巷道试验段设置1～5#测站，进行巷道表面位移观测、巷道顶板离层的监测及锚杆、锚索受力监测和围岩深部位移监测，重点检测顶底板移近量和两帮移近量，各测站间距为30 m。

3.2 检测结果分析

把五个测站的数据进行整合，将监测结果进行分析研究。检测的巷道顶底板移近量曲线和巷道两帮收敛变形曲线如图4所示。

图4现场检测结果分析图

从图中可以看出在现有支护方式下，巷道顶底板移近量曲线下降比较平缓，所代表的顶底板相对距离变化比较小，收敛速度较慢。巷道在一个多月的监测过程中，巷道顶底板平均移近速度为3.994 mm/d，巷道两帮平均收敛速度为1.562 mm/d。检测结果表明，在此支护方式下，巷道变形受采动影响较小，能够达到有效控制回采巷道变形和破坏的效果，设计方案较成功。

4 结论

通过上述研究，得到了以下结论：

（1）大同石炭系煤层受火成岩侵入影响，条件极其复杂，靠传统的支护方法难以取得较好的效果，必须针对性的进行研究，才能得到满意的结果。

（2）采用数值模拟研究得出的支护方案，在实际应用中得到了较好的验证，在今后的实际中，可加大数值模拟的应用，为现场的生产提供依据。