邢志慧

（大同煤矿集团挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 大同 037003）

由于地质条件复杂以及构造应力的存在，位于倾斜岩层中的巷道变形破坏和围岩应力分布表现出非对称性，处于软岩中的巷道围岩松动圈范围较大，传统的对称性支护设计难以达到有效的控制效果。

本文通过地应力测量、松动圈测试及钻孔窥视技术，获得了同煤集团挖金湾虎龙沟煤矿5#煤层最大主应力、松动圈厚度及围岩裂隙发育情况，确定了巷道变形破坏的原因。在此基础上，根据强帮强角支护理论，利用FLAC3D软件对比分析了原支护方案和多种优化后的支护方案，有效解决了81511工作面现场支护问题。

1 原岩应力测量

原位测量是目前获取不同深度原岩应力的唯一方法。本次研究采用钻孔应力解除法使用CSIRO II型应力传感器进行测量，其中一测点位于81514 材料巷100 m 左右处位置，另一测点布置在西翼回风巷靠近81514 材料巷45 m 左右处位置，共计5 个钻孔，钻孔总深度7.6 m。

通过对测量数据分析，挖金湾虎龙沟煤矿原岩应力的特点如下：（1）应力场的第一主应力为水平应力，水平应力大于垂直应力，最大水平主应力为垂直应力的1.13～2.50 倍。（2）水平应力的方向为85°～101°；水平应力对南北向巷道影响较为明显，对东西向巷道影响则相对较小。

为了解5#煤层围岩松动圈范围，开展了钻孔窥视和超声波探测，其松动圈范围为1.4～2.2 m，属中大松动圈。

2 巷道变形特征及破坏机制

通过对5#煤层181514 工作面材料巷的现场调查，发现巷道变形和破坏有以下特点：开挖初期围岩完整，后期极为破碎；巷道收敛变形大；支护结构破坏比较明显。从巷道的变形和破坏特点可以看出，现场支护结构不能满足该处岩层条件的支护要求，巷道发生严重变形和破坏的因素包括构造应力、岩性软弱破碎、围岩（煤）裂隙发育、不合理的支护参数及施工质量控制等几方面。

（1）5#煤层最大主应力为水平应力，高构造水平应力造成南北向巷道稳定性差，而东西向巷道稳定性相对较好。

（2）岩性较弱、固岩裂隙发育和断层使得岩体的承载能力显著降低，而且顶板地质条件多变，岩性不均。

（3）巷道原帮部支护不足，导致发生片帮垮落，降低了顶板的稳定性。

（4）对于顶板破碎的巷道来说，预紧力设计值120 N·m 偏小，而且在调查中施加预紧力的设备配套不完整，压力表损坏或缺失，导致预应力不足，造成巷道变形较大。此外，网片刚度不足也是导致巷道严重变形的重要原因。

3 数值模型分析

81511 工作面开采煤层为二叠系大同组5#煤，煤层角8°～10°，为中强度煤层，f＜1.5，煤层节理中等发育，层厚2.04～2.06 m。

3.1 模型的建立

数值计算模型宽度、高度、进深均取30 m，网格按岩层分区划分。巷道采用全断面一次开挖，循环进尺1.6 m，分9 次掘进完成，成巷总长度为11.4 m。观测断面3 个，分别位于进深1.5 m、4.5 m、7.5 m 处。

3.2 不同支护方案的模拟分析

利用FLAC3D进行支护方案优化，依据强帮强角的支护设计理论，主要通过调整锚杆（索）数量、间排距、长度及角度，对十种可行方案进行对比分析，从围岩位移、塑性区分布及锚杆受力等方面分析巷道周边岩层的力学响应情况，提出巷道优化支护方案。

优化支护方案将锚索布置于顶板角部位置，可以明显改善巷道角部的受力情况，加强巷道帮部支护。帮锚杆长度由原设计的2.0 m 增加到2.4 m，有效地提高了帮部支护强度。优化支护后，帮部倾角为20°，高帮上排锚杆上倾15°，低帮第一排锚杆水平布置。

从表1 可以看出，顶锚杆竖向布置时，巷道围岩位移有所减小，顶板下沉减少幅度最大，为6.86%，说明锚杆在倾斜顶板竖向布置可以改善顶板稳定性。

表1 不同支护方案围岩位移

对比可以看出，优化支护设计对围岩控制效果比原方案略好，锚杆竖向布置充分发挥了锚杆的预应力，锚杆数量减少1 根，但变形幅度增加较少。锚杆竖向布置也减少了垂直顶板布置时有副作用的水平应力，从而减小了帮部及底板的应力及变形。

3.3 最终支护方案

3.3.1 顶板支护形式

顶板支护形式如1 所示，顶板锚杆由原来的6根改为5 根，间排距改为1000 m×800 mm，锚杆规格为Ф20 mm×2400 m，顶板中间3 根锚杆改为竖直方向布置，角部顶锚杆倾角与水平方向呈75°，采用1 支CK2355 和1 支K2355 锚固剂。

图1 顶板锚杆布置示意图（单位：mm）

锚索呈五花布置，间排距2000 mm×800 mm，一排1 根布置于巷道顶板中线位置；下一排2 根，布置于顶板2、4 号眼位，均呈竖向布置，规格仍为Ф17.8 mm×4500 mm，采 用1 支CK2355 和2支K2355 锚固剂。

3.3.2 两帮支护形式

两帮锚杆数量和位置不变，间排距为850 mm×800 mm，锚固长度增加，1 支CK2355 和1支K2355 锚固剂。高帮第一排锚杆倾斜角度改为与水平方向15°，锚索倾角改为20°，矮帮第一排锚杆改为水平布置。

托盘为厚度12 mm 铁板，金属网为直径6 mm的菱形铁丝网，钢筋梯子梁连构件。

4 围岩位移监测

为了检验新方案的支护效果，进行了巷道表面位移观测和顶板离层量观测，共布置4 个监测断面，其中81511 运输巷道1 个监测断面，材料巷道3 个监测断面。选取的断面2 仍采用原支护方案，断面1、3、4 采用新支护方案。采用新方案后，共计掘进巷道约600 m，其中材料巷约100 m，运输巷约500 m。

4.1 顶板离层量分析

对4 个断面进行观测，得到顶板离层指示仪观测数据。从数据可以看出，所选监测断面顶板离层量变化较大，断面1 离层量较小，而断面2、3、4离层量较大，说明巷道地质条件多变，巷道所处位置岩体力学性质多变。浅部离层量远远大于深部，说明离层现象主要发生在直接顶岩层，处于不稳定状态，而基本顶为稳定岩层。同时也说明顶板主要破坏模式为剪切-拉伸破坏。几个测站的顶板平均下沉量为69 mm，与数值模拟结果（68 mm）非常接近。

4.2 巷道表面收敛分析

（1）巷道变形受采动影响明显，巷道各段受采动影响不尽相同，断层附近两帮最大收敛量为545 mm，顶底板收敛量最大为720 mm，而顶板条件好的位置，围岩则无明显变形。

（2）局部巷道顶板与两帮结合的角部发生破坏，主要在矮帮一侧，矮帮变形量较大，高帮反而相对较小些，与数值规律相符。

5 结论

采用FLAC3D数值模拟方法，设计一套适合5#煤层地质条件的新型支护方案，并在81511 工作面材料巷和运输巷进行了约600 m 试验。经收敛观测和顶板离层量观测，优化后的支护设计效果较好，巷道没有出现大的变形及冒顶现象，取得以下结论：

（1）5#煤层围岩第一主应力为水平应力，水平主应力为垂直应力的1.13～2.5 倍，水平应力方向为85°～101°，高水平应力对南北向巷道影响大而对东西向巷道影响较小。

（2）5#煤层顶板破坏以剪切拉伸破坏为主，碎胀应力导致顶板变形大。煤巷低帮一侧应力较为集中，低帮位移大于高帮位移量。

（3）煤巷角部和两帮是巷道支护的关键部位，通过增加杆（索）的长度或增加其密度等措施，可以提高煤巷帮部的强度与刚度，达到强帮护顶的目的。