张付平

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司， 山西 晋城 048027）

引言

回采巷道是综采工作面生产、运输及通风的重要通道，对工作面安全生产局域重要意义。工作面附近超前段一定区域巷道围岩应力复杂，受采动影响大，容易发生变形破坏，因此应对该区域进行加强支护。《煤矿安全规程》规定，巷道超前支护长度不低于20 m。本文以莒山矿3 号煤层3007 工作面回风顺槽为工程背景，对顺槽超前支护参数进行详细分析，确定了合理的超前支护强度。

1 3007 回风顺工程概况

3007 回风顺槽位于3007 综采工作面北部，巷道设计为矩形断面，掘进宽度为3.2 m，掘进高度为2.6 m，净宽3.0 m，净高2.4 m，巷道上部为泥岩及砂质泥岩，平均厚度为9.27 m，巷道底板为黑色泥岩，平均厚度为3.07 m。巷道原始支护方案为锚杆及锚索联合支护，顶板及两帮锚杆规格均为Φ22 mm×1 800 mm，顶板间排距为900 mm×900 mm，两帮间排距为900 mm×800 mm；巷道顶板中部布置1 根Φ17.8 mm×5 300 mm 的锚索，排距为1 800 mm。巷道锚杆支护断面如图1 所示。

2 超前应力分布规律分析

通过现场监测回复顺槽内超前立柱应力与工作面变化关系曲线，由图2 可知，在工作面附近立柱应力约为26 MPa，应力峰值位于工作面前方9 m 处，最大应力为31.5 MPa，随着远离工作面立柱应力逐渐减小，在工作面前方约27 m 时应力处于基本稳定状态，约为22.5 MPa。根据《煤矿安全规程》及实际监测综合考虑，取超前支护范围为工作面前方30 m[1-2]。

图1 巷道锚杆支护断面（单位：mm）

图2 超前应力曲线

3 超前支护参数分析

3.1 理论分析

巷道在掘进之前，岩层处于稳定平衡状态，随成巷后上覆岩层应力会发生重新分布，在巷道顶板上部一定区域内会形成相对稳定的平衡拱，根据自然平衡拱理论，超前支护强度不小于成拱高度范围内岩层自重[6-8]。

式中：a 为自然平衡拱的最大跨度，可按式（2）计算，f为掘进影响后围岩硬度系数，根据测量取1.75。

式中：c 为二分之一巷宽，1.6 m；H 为巷高，2.6 m；φ为内摩擦角，28°。

巷道顶板应力如下式所示：

式中：K1为上一工作面回采后采空区侧向参与影响系数，取1.7；K2为3007 工作面回采期间采动影响系数，取1.8； 将各参数代入计算得q=134.64 kPa。综合考虑，确定超前支护参数为135 kPa。

图3 巷道围岩力学模型

3.2 数值模拟

为验证超前支护强度的合理性，采用FLAC-3D数值模拟软件进行分析，根据实际开采地质条件建立数值计算模型，模型长300 m，宽250 m，底部限制垂直位移，四周限制水平位移，模型顶部上覆岩层用均布载荷，模拟过程中巷道超前支护强度通过对顶板施加0.125 MPa 的面力予以模拟。模型物理力学参数如表1 所示。

图4 为数值模拟所得3007 回风顺槽位移云图，有图可知巷道顶板最大位移为22.35 mm，位于巷道顶板中部，两帮最大位移为17.5 mm，位于巷道帮部靠近顶板位置，巷道围岩变形量较小，均在可控范围内，表明超前支护强度设计合理，可以满足3007 回风顺槽超前支护要求[3-5]。

4 结语

结合莒山矿3007 综采工作面回风顺槽实际工程地质条件，采用现场实测分析巷道超前支撑应力分布规律，在此基础上通过理论分析确定巷道超前支护参数，并通过数值模拟进行验证性研究，为后续支护超前支架的采购和选型提供参考。

表1 煤岩体物理力学参数

图4 巷道围岩位移云图