佟洪广

（山西晋城煤业勘察设计院有限公司，山西 晋城 048000）

1 工程概况

胡底矿3 煤埋深较大，开采水平垂深约700 m，内部地质构造以褶曲为主，断裂构造不发育。煤层厚度5.20～6.15 m，平均5.72 m； 倾角3°～10°，平均6°；煤层结构简单，无夹矸，为全区稳定可采煤层，采用倾斜长壁综合机械化分层采煤法回采。煤层顶底板情况见表1。

1303（上）分层综采工作面位于3 煤一盘区南部，其13032 巷为本工作面回风巷，在工作面回采完毕后，将该巷复用为1305（上）分层工作面的进风和运料巷。工作面巷道平面布置见图1。13032 巷净断面尺寸高×宽为3 000 mm×5 000 mm，采用“锚网+锚索”联合支护。由于13032 巷断面尺寸较大，同时在地应力、构造应力和两次采动影响作用下，围岩变形严重、破坏范围大，巷道维护问题突出。

图1 工作面巷道平面布置

2 巷道围岩破坏影响因素及支护方案

2.1 巷道围岩破坏影响因素

13032巷为大埋深、大断面和受两次采动影响的回采巷道。首先，巷道所受围岩静压和围岩应力与埋深成正比，且围岩静压呈均匀分布，故支护强度最薄弱部位支护结构会率先失效[1-3]；而煤的自承力较差，在支护结构失效后，巷道围岩会在很短时间内发生剧烈变形而导致失稳破坏[4]。其次，矩形巷道周边极易出现受拉区域，受力状态较差，围岩常会产生张拉力而引起巷道变形破坏[5]。然后，在1303（上）分层和1305（上）分层综采工作面两次采动影响下，导致工作面前方与侧方出现应力集中，增加了13032 巷围岩支护结构上的荷载，若支护结构强度不够也将会发生变形破坏。

2.2 巷道围岩支护方案

煤巷围岩强度偏低、完整性较差且节理发育，在对其围岩控制时应遵循六项原则：围岩变形量控制、可缩性支护、高强度加固、整体锚固、及时支护和提高围岩自身强度原则[6-8]。

基于围岩破坏影响因素和巷道围岩支护原则，在13032 巷原支护基础上，提出采用“高强度锚杆+金属网+W钢带+锚索” 联合支护方案对其围岩进行一次支护，支护参数见表2。

表2 13052 巷一次支护参数

3 巷道补强支护模拟及参数确定

为了确保13032 巷支护参数科学合理，结合3煤工程地质资料，采用FLAC数值模拟软件，在对巷道进行一次支护的前提下，对不同锚索密度时巷道围岩变形情况进行分析，以确定最佳锚杆密度和布置方式，对巷道进行二次补强支护。

3.1 数值模型建立

根据相邻1303（上）分层工作面和本工作面地质条件、煤岩层力学参数及赋存情况，建立了尺寸为长×宽×高=300 m×100 m×150 m的数值模型，模型四周、底部和上部分别为铰支、固支和自由边界，模型上部施加17.5 MPa的均布载荷以等效上覆岩层重力。计算模型采用摩尔- 库伦准则，13052 巷补强支护模拟方案如下：

方案1：为一次支护，排2 根/ 排锚索，采用矩形布置，间排距为2 000 mm×2 000 mm。

方案2：在原两排锚索间补打一根锚索，采用“2-1-2-1”布置，排距为1 000 mm，每排2 根锚索时，间距2 000 mm，距帮1 600 mm；每排1 根锚索时，布置在巷道正中。

方案3：在原两排锚索间补打一排锚索，即每排2 根锚索，采用矩形布置，间排距为2 000 mm×1 000 mm。

方案4：在原两排锚索间补打一排锚索，补打锚索为每排3 根，即采用“2-3-2-3”布置，排距为1 000 mm，每排2 根锚索时，间距2 000 mm，距帮1 600 mm；每排3 根锚索时，巷道中间1 根，间距1 600 mm，距帮1 000 mm。

方案5：在原巷道支护上补打锚索，构成每排3根锚索，采用矩形布置，巷道中间1 根，间排距为1 600 mm×1 000 mm。

3.2 数值模拟结果分析

回采期间不同补强支护方案时巷道围岩塑性破坏区随锚索密度的变化情见图2。当采用方案1时，巷道顶底板均处于拉伸与剪切破坏，两帮产生明显剪切破坏，巷道围岩破坏基本呈蝶形，巷道两肩角与两底角区域破坏显著。采用支护方案2、方案3和方案4 时，巷道围岩破坏状态与方案1 相似，但随锚索密度增大，巷道围岩塑性破坏区范围明显减小。采用支护方案5 时，巷道围岩塑性破坏区范围与方案4 无明显变化，说明巷道围岩塑性破坏区范围随锚索密度增大呈先减小，后稳定的变化规律，即锚索密度增大显著增强了对围岩变形的控制效果，但当锚索密度增大到一定值后，对巷道围岩塑性破坏区发育的控制效果不再随锚索密度增大而变化。

图2 不同支护方案巷道围岩塑性区分布云图

综上所述，并充分考虑回采巷道支护设计的经济性、合理性、服务年限和受采动影响等多重影响因素下，采用方案4 对13052 巷进行补强支护最为合理。13052 巷补强支护见图3.

4 补强支护方案及支护效果

4.1 补强支护方案

为了更好的控制围岩变形，在13052 巷原支护和一次支护基础上，按照方案4 对其进行二次补强支护，并确保布置的补强支护锚索施加的预紧力≥250 kN，具体支护参数见表3。

表3 13052 巷补强支护参数

项目 材料规格 参数锚索托盘 长×宽×厚=300 mm×300 mm×16 mm 钢板 布置参数与锚索一致钢筋托梁 采用Φ20 mm 的钢筋焊接而成，长×宽=2 500 mm×280 mm锚固剂 MSK2335 型和MSZ2360 型树脂锚固剂进行加长锚固 采用1 支MSK2335 型和2 支MSZ2360 型锚固剂，锚固长度≥1 870 mm，锚固力≥150 kN

图3 13052 巷补强支护

4.2 支护效果

为了评估一次支护和二次补强支护对13052巷围岩的控制效果，在该巷道长200 m的试验段内设置2 个测站，测站间距80 m，对巷道围岩表面位移变化情况进行观测，结果表明：巷道两帮移近量、底鼓量和顶板下沉量的最大值分别为210.16 mm、80.42 mm和110.25 mm，巷道断面收敛较小，巷道围岩控制效果较好，满足1305（上）分层工作面回采时的复用要求。

5 结语

1）基于13052 巷工程地质条件，对巷道围岩破坏影响因素进行分析，在巷道原支护基础上提出采用“高强度锚杆+金属网+W钢带+ 锚索”的联合支护方案对其进行支护。

2）采用数值模拟方法研究了不同锚索密度时巷道二次补强支护效果，对补强支护时锚索密度和布置方式进行了优化设计，并给出了具体补强支护方案。

3）现场实测结果表明，在原支护基础上采用一次支护和二次补强支护对13052 巷围岩变形控制效果显著，巷道可在下一个工作面生产时安全复用。