张 飞

（山西西山矿业管理有限公司西坡分公司，山西 太原 030053）

引言

中国的煤炭生产方式主要为井工开采，每年需要发掘大量的巷道，其中巷道发掘近八成的占比为煤巷[1]。煤巷是煤矿生产的重要通道，煤巷的主要作用是便于煤岩体和工程材料的运输、地下通风、行人交通等。煤巷在使用期间的安全性直接影响矿井的建设以及采煤量。但煤巷岩层复杂多变，岩层物理学参数及矿井设计千差万别，使得煤巷支护面临设计条件差异性大、安全性差、支护难度高等问题[2]。为保证煤巷在使用期间的稳定性，国内外大量相关科技工作者对煤巷支护进行研究，形成了相关煤巷支护技术，推动了世界煤炭的发展。

1 6105工作面工程概况

本文所要完成的工作是对某个煤矿的6105工作面的顺槽以及切眼地段进行设计。煤层为近水平煤层，井田宽缓的褶曲为主，整个煤矿没有岩浆活动过的痕迹，切断层较为稀少，总体上有利于回采。如图1所示，为6105工作面巷道的位置[3]。

图1 巷道位置

6105工作面名称及尺寸如表1所示。

表1 巷道名称及尺寸 mm

本文中，6号煤层6105工作面的围岩基本力学参数如表2所示。

表2 6号煤层6105工作面围岩基本力学参数

2 支护数值模拟分析

2.1 6105工作面开切眼模型的建立

本文6号煤层平均厚度取12 m，埋深取150 m。开切眼尺寸为7 500 mm×3 000 mm，将其布置在6号煤层，并且根据相关要求需要留出9 m厚的顶煤。巷道顶板模拟取30 m，底板模拟取9.4 m，巷道两帮各25 m。

2.2 无支护条件下6105开切眼模拟

2.2.1 无支护时围岩塑性破坏范围

开挖后，若不采取任何支护措施，那么围岩会被破坏。通过仿真软件模拟可以得出巷道顶板破坏范围为2.0 m，两帮破坏范围为1.4 m。如果不及时采取相应的支护措施，那么巷道围岩将会发生顶板冒落、跨落等危险后果。

2.2.2 无支护时围岩应力

本文对无支护时围岩应力从竖直方向和水平方向上分开讨论。

当矿山进行开采活动时，巷道围岩在竖直方向上的应力被分为三个区域，分别为降低区、增高区、平衡区。应力在顶板中2 m的范围内降低得明显，两帮的竖直应力在1 m的范围内为降低区；1.0~1.5 m为平衡区；大于1.5 m的范围为增高区，最大应力出现在1.72 m处。

对于水平方向上的应力，当两帮水平应力引起围岩破坏时，水平方向上的应力会有所降低，降低的区域半径为1.5 m。

2.2.3 围岩无支护位移分布

顶板的方向位移和两帮朝巷道方向的位移在没有支护条件时较为严重，其中，对于顶板，最大位移出现在顶板中间，下沉位移大约为63.4 mm；对于底板，最大位移出现在底板中间，突起大约为16.3 mm。相对位移量为79.7 mm。围岩中的左右帮位移是对称的，相对位移近127 mm。

2.3 存在支护作用下6105开切眼模拟分析

2.3.1 围岩塑性破坏分析

巷道在支护作用下，与无支护条件相比，围岩的塑性区范围减小很多。

2.3.2 围岩应力

在存在支护的条件下，无论是巷道的竖直方向还是水平方向，其应力状态明显好于无支护时。与无支护相比，应力向的巷道方向移近0.49 m，应力降低区此时为0.49 m以内的范围，相应的，此时应力平衡区范围为0.49~1.0m，应力增高区的范围为大于1m，应力的峰值出现在1.1 m处。围岩中的两帮竖直方向上的应力升高区的范围也随之增加，在竖直方向上应力向围岩深处继续传递由于支护的作用而被阻止，进而使得巷道保持稳定。

对于水平方向应力，与无支护时相比，底板水平方向应力更加均匀，顶板范围的拉应力范围减小。巷道的顶板围岩在支护作用下达到了稳定的状态。

2.3.3 围岩应变特征

竖直方向、水平方向的位移均得到了较为理想的控制。相对位移量均减少了30%以上。

3 6105工作面煤巷支护方案及参数

3.1 支护方案确定方法

本文中，顶板锚杆和帮锚杆长度取值均为2.4 m，同时二者之间的距离应该小于1.0 m。锚索的长度应该大于6.8 m。

根据原国家煤炭部提出了关于锚杆支护的规范条件，其内容主要是关于锚固力、杆体破坏力、金属锚杆支护参数以及巷道锚杆支护方案和技术参数等要求。

根据设计规范要求，本文设计的支护方案为：锚杆+W钢筋梁+网+锚索。其中端锚，杆体直径为15~16 mm，杆长的长度为1.7~2.1 m，间排距为650~950 mm，本文中锚固力>65 kN；对于全长锚杆，杆体直径为19~21 mm，杆体的长度为1.9~2.3 m，间排距与端锚的间排距要求相同，为650~950 m。

3.2 运输顺槽锚网支护方案和参数

本文的锚杆支护方案为锚杆+金属网+钢筋梁联合支护。锚杆的支护技术参数见表3。

表3 6105工作面运输顺槽锚网支护部分参数

对于锚固方式顶板支护和巷帮支护均采用树脂锚固法，其中顶板支护锚固剂规格为K2335和Z2360。钻孔Φ为28 mm，锚固尺寸为1.1 m；巷帮支护锚固剂型号为Z2360，钻孔的直径Φ取值为30 mm，锚固尺寸为600 mm。对于网片规格，两种支护方法均选用经纬形式的金属网，巷帮支护网孔规格均为40 mm×40 mm，网片之间的搭接宽度均为0.1 m，均用16号铅丝进行连接。其中顶板支护网片规格为4.2 mm×1.1 m，巷帮支护网片规格为3 mm×1.1 m。对于锚杆布置，顶板支护采用锚杆排距1 m，每排5根锚杆，间距为1 m的方式；巷帮支护锚杆排距为1 m，每帮每排两根锚杆，间距为1.2 m。在最底下的锚杆距离底板应为1.2 m，靠近顶板最近的帮锚杆与顶板之间的距离应为600 m。对于锚杆角度，锚杆与顶板面相垂直，在巷道矩形的拐角处，最后一根锚杆与垂直方向成30°。巷帮支护中，靠近顶板的一根锚杆与地平线呈30°角，其余锚杆与巷帮垂直。运输顺槽锚网支护布置图见图2。

图2 运输顺槽锚网支护布置图（未标单位：mm）

3.3 回风顺槽锚网支护方案及参数

本文的支护方案为锚杆+金属网+钢筋梁联合支护。锚杆的支护技术参数见表4。

表4 6105工作面回风顺槽锚网支护部分参数

对于锚固方式，顶板支护采用树脂加长锚固的方式，需要采用锚固剂的规格分别为K2335、Z2360，钻孔的直径Φ为28 mm，锚固尺寸为1.1 m；巷道支护采用树脂端部锚固，锚固剂规格为Z2360，钻孔Φ为30 mm，锚固尺寸为600 mm。对于锚杆角度、网片规格，工作面回风顺槽锚网支护与工作面运输顺槽锚网支护设计相同。对于锚杆布置，除顶板支护中靠近巷道两帮最后一个锚杆距离巷道两帮的距离为0.1 m外，其他参数工作面回风顺槽锚网支护与工作面运输顺槽锚网支护设计相同。6105工作面回风顺槽锚网支护布置图见图3。

图3 6105工作面回风顺槽锚网支护布置图（未标单位：mm）

4 结语

本文通过对支护数值模拟分析比较了有无支护时围岩塑性破坏范围、围岩应力云图、围岩应变特征。通过支护作用可以使得围岩的塑性区范围减小很多，阻止了在竖直方向上应力向围岩深处继续传递，进而使得巷道保持稳定。对于水平方向应力，与无支护时相比，底板水平方向应力更加均匀，顶板范围的拉应力范围减小。竖直方向相对位移量均减少了30%以上。最后本文分析了6105工作面煤巷支护方案及参数，包括运输顺槽和回风顺槽锚网支护方案及参数。