王坡煤業大斷面巷道支護方式優化

劉偉偉

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 澤州 048021）

1 工程概況

王坡煤業有限公司位于山西省晉城市澤州縣境內，井田面積29.23 km2，可開采煤炭儲量2.2億噸，其井下3213 工作面主采3 號煤層，平均埋深為520 m，煤層結構簡單，節理裂隙發育，平均厚度達5.7 m，煤層傾角為2°～9°，回采巷道為矩形巷道，巷道斷面尺寸為：寬×高=6 000 mm×4 500 mm。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

2 煤體力學性質及巷幫破壞特征

2.1 煤體力學性質

為了解王坡煤業3 號煤層的力學性質，在3213 回風巷巷幫現場取樣，對其進行力學參數測試。

（1）單軸抗壓強度

對現場采取的1#、2#、3#煤樣進行單軸抗壓試驗，應力應變曲線見圖1。

圖1 煤樣單軸抗壓應力應變曲線

圖1 中3213 回風巷巷幫所采集煤樣的應力應變曲線符合一般巖石的變形特征，基本經歷了孔隙裂隙壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段及破壞階段［1-4］。在實驗過程中，隨著荷載的不斷增大，當煤樣表面發生剝落時會導致巷道圍巖支撐能力下降，煤樣在破壞前其應力應變曲線均呈現一定的波動。在加載實驗過程中，煤樣在破壞時有碎片被擠壓彈出同時還發出較大聲響的輕微巖爆現象，這表明煤樣較脆。

（2）抗剪強度

本次抗剪實驗共選取35°、45°、55°、65°四個角度，其每個角度均選取三個煤樣進行實驗，實驗結果見表2。

表2 煤樣剪切實驗結果

通過上述實驗結果可擬合得到煤樣的摩爾包線見圖2。

圖2 煤樣的摩爾包線

通過計算可知，煤樣的內聚力c=1.57 MPa，內摩擦角Φ=18.25°。

2.2 巷幫圍巖破壞特征

通過對現場厚煤層回采巷道進行調研，發現巷幫的破壞形式可大致分為三種：肩角破壞、中部擠出變形及片幫，其中又以巷幫中部擠出變形及片幫為主，見圖3。

圖3 巷幫主要破壞形式

因回采巷道在掘進期間受到的擾動相對較小，其巷道變形破壞主要發生在工作面回采期間。通過現場調研并結合煤樣的物理力學實驗可初步分析巷幫破壞原因有：（1） 巷道斷面尺寸較大，且為矩形斷面，在巷道肩角位置容易產生應力集中，從而引起巷幫肩角位置破壞；（2） 由于煤性較脆，且節理裂隙發育，工作面回采過程中易造成片幫；（3）支護方式選擇不合理、支護參數有待優化。

3 回采巷道支護體系優化

3.1 巷道原有支護方式及支護效果

3213 回風巷原有支護方式見圖4。

圖4 原有支護方式

圖4 中3213 回風巷采用錨桿+ 金屬網的支護形式，其中頂錨桿為Φ18 mm×2 300 mm 的螺紋鋼錨桿，每排5 根，間排距為1 300 mm×1 200 mm，并鋪設Φ6 mm×2 400 mm×1 100 mm 的鋼筋網。幫錨桿為Φ18 mm×1 800 mm 的玻璃鋼錨桿，每排4 根（每幫2 根），間排距為1 500 mm×1 200 mm。為了解原始支護方案的支護效果，在3213 回風巷距離開切眼30 m、40 m、60 m 位置布置應力、應變監測站，每個監測站對巷道兩幫變形量及錨桿受力進行監測，現場監測數據見圖5。

圖5 現場監測數據

圖5（a）中隨著工作面的推進，當距離工作面50 m 范圍內時，巷道兩幫變形量逐漸增大，在距離工作面30 m 以內時，巷幫變形量急劇增大，最終巷道煤柱幫變形量最大值為250 mm，回采幫變形量最大值為430 mm。依據巷幫現場監測數據，超前支承壓力影響范圍為工作面前方50 m，劇烈影響范圍為工作面前方30 m，回采幫變形量遠遠大于煤柱幫變形量。圖5（b）中隨著工作面的推進，頂錨桿工作阻力逐漸增大，但變化量較小，監測曲線整體變化不大。幫錨桿在距離工作面50 m 時，工作阻力減小，而后在距離工作面40 m 時，幫錨桿工作阻力又呈上升趨勢，在距離工作面30 m 時工作阻力減小，之后在距離工作面25 m 后工作阻力在此增大。頂錨桿工作阻力最大值為35 kN，幫錨桿工作阻力最大值為48 kN，比頂錨桿大約37.1%，而且幫錨桿工作阻力監測曲線整體波動較大，究其原因，是因為巷幫受超前支承壓力及回采擾動的影響，導致巷幫破碎，出現片幫、炸幫顯現，引起幫錨桿工作阻力變小。

總體來看，現有支護體系對巷幫支護效果較差，應對其進行優化。

3.2 支護體系優化

根據王坡煤業的現場實際條件，結合現場監測數據，以原有支護方案為基礎，對巷幫支護方式進行優化設計。幫錨桿長度分別設計為1.8 m、2.4 m、3.0 m；數量分別為2 根、3 根、4 根；肩角錨桿與水平方向夾角分別為10°、15°、20°。FLAC3D模擬結果見表3。

表3 試驗方案模擬結果

表3 中由方案8～方案10 可知，在錨桿長度和數量相同的情況下，肩錨桿與水平方向的夾角對巷道變形的影響幾乎可以忽略。通過對比各個方案可知方案9 是最佳方案，即幫錨桿長度為3.0 m，肩錨桿與水平方向的夾角為15°，錨桿數量為4根，見圖6。

圖6 巷道支護方式

方案9 與原支護方案巷道圍巖塑性區范圍見圖7。

圖7 塑性區對比

圖7 中原支護條件下巷幫塑性區約為3.4 m，而方案9 條件下巷幫塑性區約為2.5 m，與原支護方案相比塑性區減小約26.5%，而且錨桿長度3.0 m，已經超出塑性區范圍，幫錨桿可以錨固在穩定巖層中，因此可以起到加固巷幫的作用。

3.3 工業性試驗

將方案9 在3213 回風巷進行工業性試驗，其中頂錨桿與原支護方案一致，為Φ18 mm×2 300 mm的螺紋鋼錨桿，每排5 根，間排距為1 300 mm×1 200 mm，并鋪設Φ6 mm×2 400 mm×1 100 mm的鋼筋網。幫錨桿為Φ18 mm×3000 mm 的玻璃鋼錨桿，每排8 根（每幫4 根），間排距為1 000 mm×1 200 mm。現場巷幫變形量及錨桿工作阻力監測曲線見圖8。

圖8 巷幫變形量及錨桿工作阻力監測曲線

圖8（a）中在方案9 支護條件下，回采幫變形量最大值為162 mm，煤柱幫變形量最大值為135 mm，回采幫變形量略大于煤柱幫變形量，巷幫變形量大小與數值模擬結果基本吻合，與原支護方案相比，回采幫變形量最大值降低62.3%，煤柱幫變形量最大值降低46.0%。圖8（b）中工作面回采過程中幫錨桿工作阻力與頂錨桿工作阻力變化趨勢基本一致，一直呈現增大的趨勢，與原支護條件下工作阻力出現增大、減小再增大的變化趨勢截然不同，表明巷幫圍巖并未出現片幫、炸幫現象，巷幫變形量較小、支護效果良好。

4 結論

1）巷幫的破壞形式可大致分為三種：肩角破壞、中部擠出變形及片幫，導致巷幫變形破壞的主要原因是3 號煤層煤性較脆且矩形大斷面巷道角處容易應力集中。

2）通過FLAC3D數值模擬分析得到較優的支護方式為：幫錨桿長度為3.0 m、肩錨桿與水平方向的夾角為15°、每側幫錨桿數量為4 根。

3）經現場工業性試驗并與原方案相比發現，方案9 支護條件下回采幫變形量最大值降低62.3%，煤柱幫變形量最大值降低46.0%，支護效果良好。