玉溪煤礦1301 工作面回風順槽支護設計研究

馬 偉

（山西蘭花科技創業股份有限公司，山西 晉城 048000）

煤礦生產過程中工作面回風順槽擔負著回風、人員撤離等重要任務，回風順槽的安全性影響著采區的正常生產[1-3]。在工作面圍巖力學性質及完整性較差時，若采用的支護方案不合理，工作面巷道的頂板安全難以得到保證，嚴重威脅工作面的生產。因此，有必要對軟弱圍巖條件下的工作面回風順槽支護設計進行研究，保證工作面巷道的頂板安全[4-5]。

1 工程概況

山西蘭花科創玉溪煤礦1301 工作面位于第一盤區內，開采3#煤層。3#煤層屬緩傾斜煤層，平均厚度5.85 m，含有多層夾矸。1301 工作面巷道直接頂以砂質泥巖為主，圍巖穩定性較差，支護較為困難。工作面巷道布置平面圖如圖1。

圖1 1301 工作面巷道布置平面圖

2 巷道圍巖基本性質

2.1 巷道圍巖物理力學性質試驗

在對1301 工作面回風順槽進行支護設計前，對圍巖的基本物理力學特性進行了測試。測試范圍是玉溪煤礦1301 工作面3#煤層及頂板（約15 m 范圍）、底板（約8 m 范圍）的圍巖。經現場取樣，共獲得3#煤及頂底板巖芯近50 m，并運至巖石力學實驗室進行試驗。將巖芯在切割機上按照試驗規范制作成標準巖樣，在實驗室內通過開展單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗及抗剪強度試驗，來確定圍巖的基本力學性質。單軸抗拉、抗壓、抗剪強度試驗共采用巖樣94 個，其中抗拉試驗32 個，抗壓試驗26 個，抗剪試驗36 個。試驗過程中部分巖樣的破壞模式如圖2，試驗結果見表1。

表1 圍巖物理力學參數

由圖2 和表1 可知，巖樣在單軸抗壓和巴西劈裂試驗中的破壞模式主要為張拉破壞，裂紋沿軸向加載方向發展。頂底板巖層中泥巖抗壓強度最低，最小值為31 MPa，中粒砂巖抗壓強度最高，最大值可達107.82 MPa。巖層的抗拉強度均較小，抗壓強度是抗拉強度的4～20 倍，變化范圍較大。

2.2 頂板巖層鉆孔窺視

為充分了解圍巖構造和完整性，在1301 工作面輔助運輸巷道第十二聯絡巷頂底板布置鉆孔，并采用鉆孔窺視儀進行窺視，窺視結果如下。

距孔口2.7 m 范圍內為煤層，2.7～2.95 m 為過渡性夾矸，煤層范圍內傾斜裂隙和水平裂隙發育較多且明顯，局部較破碎。距孔口2.95～3.2 m 范圍為層狀裂隙發育明顯的泥巖，距孔口3.2～5.1 m 范圍為泥巖與中細砂巖互層狀結構，發育有明顯的緩波狀層理，但整體較完整。距孔口5.1～8.3 m 范圍內為結構完整的中～細粒砂巖，局部發育有緩波狀層理，未見明顯的裂隙發育。距孔口8.3～18.2 m 范圍為黑色泥巖，局部裂隙發育明顯。距孔口8.27～8.95 m范圍發育有數條較大的傾斜裂隙。距孔口9.25～9.355 m、9.6～9.85 m、11.35～11.65 m、12.65～12.85 m 范圍內破碎較為明顯。距孔口10.9～11.25 m 范圍內發育有一條波狀裂隙。距孔口18.2～18.25 m 范圍為過渡性黑色巖層。距孔口18.25～18.4 m 為2#煤層。距孔口18.4～19.98 m 范圍為一層具有波狀層理的灰黑色泥巖，其中19.25～19.4 m 范圍破碎嚴重。距孔口19.98～20.03 m 范圍為過渡性巖層，黑色，破碎嚴重。距孔口20.03～21.53 m 范圍為比較完整的灰黑色泥巖，波狀層理發育明顯。

從室內物理力學特性試驗和現場鉆孔窺視試驗的結果分析可知，1301 工作面回風順槽頂板完整性較差，受采動影響和風化作用，節理、裂隙較為發育。需要說明的是，由于分析的巖芯量有限，僅能反映局部的巖性，故試驗得出的3#煤層及頂底板巖層物理力學參數，只能作為1301 工作面巷道支護設計的參考依據。當巷道巖性、圍巖結構和地應力發生較大變化時，應對地質力學參數進行重新測定。

3 回風順槽支護設計方案

根據1301 工作面圍巖力學特性及分類，結合1301 工作面實際地質條件和現場調查情況，決定1301 工作面回風順槽采用“錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯子梁”的聯合支護方案。支護斷面圖如圖3，具體支護參數見表2 及表3。

圖3 支護斷面圖

表2 回風順槽頂板錨桿、錨索支護參數

表3 回風順槽巷幫錨桿支護參數

4 支護效果

為考察“錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯子梁”聯合支護方案的支護效果，在FLAC3D中建立數值模擬模型，共劃分33 360 個單元。經數值模擬計算得到回風順槽的垂直應力云圖和垂直位移云圖如圖4。

分析圖4 可知，垂直應力主要分布在巷道兩幫且靠近巷道圍巖表面，最大應力集中區分布范圍較小，巷道的垂直位移主要發生在巷道頂板，位移最大量約為350 mm?？梢姴捎迷O計的聯合支護方案，1301 回風順槽圍巖應力分布、圍巖垂直位移量在可控范圍內，可有效保證巷道頂板圍巖安全。

5 結論

（1）針對1301 工作面圍巖穩定性差的特點，開展了室內力學試驗和現場鉆孔窺視試驗。試驗結果表明，1301 工作面回風順槽頂板完整性較差，受采動影響和風化作用，節理、裂隙較為發育，支護較為困難。

（2）基于1301 工作面圍巖力學特性及分類，決定采用“錨桿+錨索+金屬網+鋼筋梯子梁”的聯合支護方案，對支護參數進行了設計，并在FLAC3D中建立了有限元模型。分析表明，采用聯合支護方案后，巷道最大應力集中區分布范圍較小，且巷道垂直位移最大量約為350 mm，所采用的聯合支護方案有效改善了圍巖應力分布和變形量。

圖4 1301 回風順槽聯合支護方案數值模擬結果