12301工作面回采巷道支護技術研究

王 鑫

（霍州煤電集團團柏煤礦，山西 霍州 031400）

1 工作面概況

某礦12301工作面位于123盤區，北面為12303工作面，南面為12109工作面采空區，西面為123盤區邊界。工作面主采2#煤層，煤層厚度5.8～6.3m，平均為6.15m，屬于近水平煤層，煤層結構復雜，一般含1～2層炭質泥巖、泥巖夾矸。在受構造影響地段煤層厚度變化較大。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

根據12301工作面實際揭露資料，在12301切眼處揭露f301-1 H=0.6m∠65°斷層，該斷層對工作面回采影響不大。12301工作面長度為260m，推進長度為1321m。

2 巷道支護分析

2.1 理論研究

12301工作面2#煤層回采巷道的突出特點是其頂板較硬、強度高、厚度大、整體性好。根據該礦2#煤頂底板賦存特點，故將巷道的力學模型簡化為平面固支或者簡支的深梁模型，模型受力狀態為兩端約束，上覆巖層視為均布荷載，均勻的作用在深梁結構上，如圖1為固支梁模型。

圖1 巷道頂板的固支梁模型

對于通常的長梁，可以采用材料力學解答進行求解，但是對于較深的梁，則需要考慮修正項[1]。因此選用固支邊界條件下梁內應力分量的彈性力學表達式進行求解。

考慮到一般長梁結構的斷裂危險點處于梁長度尺寸的中間靠下邊界位置，可以根據一般長梁最易破斷位置應力特點，對深梁結構斷裂危險點及極限厚度進行計算[2～4]。由對稱性可知，梁的中間下邊界位置剪應力為零，梁截面（0，h/2）處的水平拉應力分量即為該位置的最大主應力σ1，由此得到深梁結構相應位置處的拉應力為：

根據材料的最大拉應力強度理論可知，頂板不發生斷裂的安全厚度應滿足下式[5]：

式中：[σt]為頂板巖層抗拉強度極限，灰巖取4.2MPa。

代入計算，得到固支邊界條件下頂板極限厚度為：

類似于固支條件下深梁破斷特征的討論，簡支條件下深梁應力分量彈性力學表達式為[6]：

簡支梁條件下頂板極限厚度為：

2#煤上覆頂板厚度平均為10.13m，直接頂不會發生拉裂，巷道可以對頂板進行簡單支護或者不支護，也能保持巷道的穩定。

2.2 模擬分析

利用數值模擬，分析、評價初步設計的支護方案及支護參數的可行性與可靠程度，進行方案優選。

1）模擬方案。采用有限差分數值計算軟件FLAC3D，將較長巷道作為平面應變問題處理，建立薄板數值計算模型寬×高×厚=50 m×50 m×5m。模型底部限制節點全部位移，4個側面限制節點水平方向位移，上部施以p=γH的應力。

堅硬頂板條件下，頂板不同支護方式對巷道穩定性的影響，支護方式分別為頂板無支護、錨索支護、錨網索支護，巷幫采用錨網支護，支護參數見表2。

表2 不同支護參數設計表

2）塑性區效果。頂板采用無支護、錨索支護、錨桿索支護時圍巖的塑性區分布如圖2所示。

圖2 圍巖塑性區分布圖

不同支護條件下的巷道開挖后，兩幫淺部均出現小范圍的拉破壞區域，其余都是壓減破壞。隨著支護強度的提高，頂板中塑性屈服區域逐漸減小，轉變為彈性狀態。

3）巷道收斂變形效果頂板采用無支護、錨索支護、錨桿索支護時巷道收斂變形如圖3所示。

圖3 巷道收斂變形圖

由圖3可知，隨著支護強度的提高，巷道掘進后頂板最大變形量逐漸減小，兩幫與底板位移也有小幅度減小。巷道頂板無支護條件下，頂板下沉量9.97mm，底臌量5.36mm，兩幫移近量16.78mm；頂板錨索支護條件下，頂板下沉量8.89mm，底臌量5.34mm，兩幫移近量16.31mm；錨桿索支護條件下，頂板下沉量6.87mm，底臌量5.32mm，兩幫移近量15.98mm。

綜合分析模擬結果，相比于頂板無支護的巷道，采用錨索支護和錨桿索支護，頂板塑性區范圍分別減小了18.2%和63.6%；頂板下沉量分別減少了10.8%和31.1%。由此可知，使用錨桿索支護對巷道穩定性提升明顯，此類頂板可采用錨桿索支護。

3 支護方案與應用監測

3.1 支護方案

支護方案的設計應當因地制宜，12031工作面回采巷道頂板堅硬強度高、厚度大、整體性好，且巷道設計斷面小，當工作面回采巷道沿灰巖頂板掘進時，巷道的自穩能力較強。對于頂板回采巷道，如果支護方案富裕系數過大，不僅增加成本，而且由于頂板難于鉆孔，將嚴重降低支護及掘進效率；厚硬頂板巷道圍巖變形能主要由兩幫及底板釋放，如果頂板支護不當，兩幫內擠變形和底鼓嚴重，影響巷道正常使用，并可能最終導致巷道失穩。工作面回采巷道的突出特點是其頂板強度高、厚度大、整體性好。針對這一特點，通過理論分析和數值模擬相結合的方法進行支護設計，根據現場情況，確定合理的支護方案及支護參數見表3。

表3 支護參數建議表

3.2 應用監測

巷道頂板離層通過在頂板相近位置布置長、短兩根錨索的方式進行測量。具體方法為：先在頂板中線附近打設兩個錨索鉆孔，鉆孔深度為2.5m和5m，分別作為頂板離層監測的淺基點和深基點；然后將2.5m和5m長的錨索放入鉆孔中錨固；最后，用強力粘結劑將鋼尺粘貼在錨索外端向外探出孔口，在孔口設置標記用于讀數，并記錄初始刻度。讀數時，由于頂板受力產生離層，鋼尺與孔口標志產生相對位移，通過計算當前讀數與初始讀數差值即可得出頂板離層情況。測量原理如圖4所示。底板采用類似的原理埋設單根2m長的錨桿，錨桿外露200～300mm，用于測量底板位移。

圖4 頂板離層監測原理圖

12301工作面運輸巷相比回風巷頂板下沉量較小，頂板下沉量最大為159mm，176mm，兩幫移近量14.53mm，錨桿索支護對巷道穩定性有明顯提升。

4 結 語

12301工作面2#煤層回采巷道的突出特點是其頂板較硬、強度高、厚度大、整體性好，通過將巷道的力學模型簡化為平面固支或者簡支的深梁模型進行理論研究以及結合模擬軟件分析，采用錨桿索方式支護能夠保證巷道在回采期間的穩定性，可滿足巷道的服務年限。