5102 回風順槽復合片幫原因及支護優化研究

郝東梁

（1.內蒙古科技大學 礦業研究院，內蒙古 包頭 014010；2.同煤集團永定莊煤業公司，山西 大同 037024）

巷道煤幫在集中應力作用下產生大量裂隙，抗拉強度小、承載能力弱的巷幫煤體將發生剪切滑落式片幫[1-2]。永定莊煤礦5102 回風順槽在回采和掘進的影響下出現片幫問題，巷道幫部發生片幫后致使巷道的跨距增加，進而導致巷道整體穩定性降低，因此，如何有效控制巷幫的穩定成為了5102 回風順槽當前亟需解決的主要問題。本文以永定莊煤礦北盤區5102 回風順槽為例，通過分析巷道片幫的失穩原因，提出巷道片幫的支護優化措施[1-5]。

1 工程背景

5102 回風順槽位于北部盤區，工作面標高771～782 m，煤層平均傾角為2°，屬近水平煤層，設計斷面為4.8 m×3.8 m 的矩形巷道，巷道設計施工全長為1 073.3 m。基本頂為砂巖（以砂質泥巖、粉砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖為主），厚度為15.32 m；直接頂為砂巖（以粉砂巖、高嶺巖為主），厚度為2.70 m；直接底為砂巖（以高嶺質泥巖、粉砂巖、高嶺巖為主），厚度為2.51 m。5102 巷兩幫采用Ф20 mm×2400 mm 的無縱筋全螺紋鋼樹脂錨桿，配套200 mm×200 mm×12 mm 托盤，網片采用Ф6.5 mm 鋼筋網，規格為1700 mm×900 mm，網格為100 mm×100 mm。錨桿垂直于巷道幫部安裝，上部第一根錨桿距頂板0.4 m，間距1 m，排距0.9 m。

由于5102 回風順槽與北盤區8103 工作面采空區相隔8 m 保護煤柱，因此在5102 回風順槽的掘進過程中，受開挖擾動和圍巖壓力影響多處發生片幫問題，破壞主要集中出現在巷幫中上部，嚴重影響了巷道的掘進效率和安全生產。

2 巷幫失穩破壞機理分析

巷道中常見的片幫模式包括拉裂型片幫和滑移型片幫[3-4]。拉裂型片幫往往發生在較為堅硬的煤層，巷道兩幫的硬煤在支承壓力P 作用下產生橫向拉應力，由于硬煤的變形量較小，當水平方向拉應力大于煤體的抗拉強度時，巷道幫部將發生如圖1（a）所示的拉裂型片幫。對于軟煤層而言，巷道兩幫的壓應力能夠使其壓縮變形，最終導致巷幫內剪應力大于其抗剪強度，發生如圖1（b）所示的滑移型片幫。

圖1 巷道幫部不同片幫模式

在5102 回風順槽的掘進過程中，除了上述兩種常見的片幫形式以外，還存在一種拉裂型和滑移型組合的片幫模式，即復合型片幫。為了便于對復合型片幫進行力學分析，對復合型片幫的力學分析模型作出如下假設：（1）由于巷道的長度遠大于其寬度，可將巷道視為平變應變問題進行分析；（2）假設巷道幫部煤體為連續均質且各向同性介質；（3）復合型片幫體在破壞面上的受力滿足莫爾庫倫準則，即：

式中：c 為巷幫煤體的內聚力，Pa；φ 為巷幫煤體的內摩擦角，（°）；σ 為垂直于剪切滑移面上的正應力，Pa。

根據5102 回風順槽發生的片幫情況，沿巷道縱向取單位長度為研究對象，建立復合型片幫力學分析模型如圖2。圖中，h 為巷道的高度，m；b為片幫體的水平坍塌寬度，m；z 為片幫體破壞深度，m； h 為片幫體的滑移高度，m；G 為片幫體的自重，N；q 為巷幫煤體所受的壓力，Pa；α 為破壞面與水平面的夾角，其計算式為α=45°+0.5φ，（°）。

巷道兩幫上方的垂直地應力大小為

式中：γ 為頂板至地表巖體的平均容重，N/m3；H 為埋深，m。

圖2 5201 回風順槽復合型片幫計算模型

由圖2 的幾何關系可以看出，片幫體ACDE 的自重為：

式中：γ1為巷幫煤體的容重，N/m3。

當巷幫煤體在垂直地應力和自重應力作用下達到極限平衡狀態時，有：

由文獻可知[5]，巷道幫部煤體發生最大水平位移的位置位于距離頂板0.35 倍巷高處，即：

聯立式（2）、（3）、（4）、（5）即可得復合型片幫體的前緣破壞高度h+z=1.22 m，片幫體破壞深度z=0.52 m，水平坍塌寬度b=0.49 m。

3 復合型片幫支護參數計算

巷道幫部的支護是通過錨索將片幫體錨固到穩定巖體來實現的，巷道幫部錨索長度為：

式中：L0為錨索支護長度，m；L1為錨索外露的長度，一般取0.3 m；L2為錨索錨入穩定巖層的錨固長度，一般取3.0 m；k 為安全系數；L3為錨索的有效長度，即片幫體水平坍塌寬度，m；L4為錨索托板長度，一般取0.1 m。

取安全系數k=3，錨索外露長度L1=0.3 m，錨入穩定巖體長度L2=3.0 m，錨索有效長度L3=0.49 m，錨索托板長度L4=0.1 m，將上述參數代入式（6）得幫部錨索長度為：

L0=0.3+3.0+3×0.49+0.1=4.87 m

考慮理論計算值與工程實際的偏差，5102 巷兩幫每隔0.9 m 各布置Ф21.8 mm×5300 mm 錨索3根，配套200 mm×200 mm×12 mm 托盤，配合長2500 mm 的三眼（眼距1 m）JW 錨索鋼帶，固定用長×寬=3700 mm×1700 mm 的金屬網，采用長邊順巷方向布置。護幫錨索垂直于巷壁安裝，上部第一根護幫錨索距頂板0.4 m，間距1 m，排距0.9 m。巷道兩幫距底板0.5 m 處，與護幫錨索齊排各布置一根Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，配套短節W鋼帶，施工角度為-20°。

4 支護效果

為了驗證上述理論分析的合理性和工程適用性，對5102 回風順槽進行支護試驗，檢驗支護對巷道兩幫的控制效果。通過對該區段復合型片幫區域的巷幫進行50 d 的連續監測，巷道兩幫變形監測結果如圖3。

圖3 5102 回風順槽幫部變形監測結果

由圖3可以看出，在5102回風順槽掘進0～20 d內，該巷道幫部變形速率和變形量較大，20 d 后巷道圍巖的移近速度逐漸降低，兩幫移近速度由2.25 mm/d 降至0.115 mm/d，50 d 后逐漸趨于穩定，50 d 后監測到最大移近量為36 mm，巷道兩幫支護結構優化后的變形量和變形速率得到了有效的控制。

5 結論

（1）5105 回風順槽巷幫煤體由于地應力、自重應力及后緣拉應力的共同作用產生應力集中，當滑移面上的應力分量大于巷幫煤體的極限強度時，巷道幫部將發生復合型片幫。

（2）對5105 回風順槽兩幫采用高強度錨索聯合錨桿支護技術替換原有錨桿支護，可以有效改善巷幫煤體破碎情況。

（3）5102 回風順槽支護優化后的支護結構能有效提高巷幫的整體穩定性，滿足安全生產要求。