亿欣煤业15 号煤层煤巷支护优化设计研究

马华杰

（山西晋城煤业集团晋圣坡底煤业，山西 晋城 048000）

近年来，我国矿区在回采巷道支护实践中广泛推广锚杆（索）支护技术并取得阶段性成功。但是，随着单一工作面煤炭产量越来越大，为了满足生产需求，两侧平巷的断面尺寸也不断递增，这将导致巷道跨度较以往巷道有所不同，进而给巷道围岩支护设计带来了新的难题。

1 工程地质概况

亿欣煤业采用平硐开拓方式，共布置3 个井筒，分别是主平硐、副平硐和回风立井。首采煤层为15号煤层，共划分为5 个盘区，现开采一盘区。15 号煤层布置有一个主水平，水平标高为+1064m。在主、副平硐井底，沿东西方向布置一组大巷，采用“两进一回”的三巷布置方式，分别为胶带巷、轨道巷和回风巷。15 号煤回采工作面采用长壁综采采煤工艺，全部垮落法管理顶板，矿井采掘比为1:2。

15 号煤层位于太原组底部，煤层厚度为1.60～4.29m，平均2.55m。井田东部煤层较厚，向西有逐渐变薄的趋势，为井田内赋存区稳定可采煤层，煤层属结构简单稳定型煤层，一般含1 ～2 层泥岩夹矸。煤层顶板为K2 灰岩，大部分有炭质泥岩伪顶，底板为中厚层状泥岩、炭质泥岩。井田内中南部、西部15 号煤层埋藏较浅，存在风氧化现象。井田西部存在小范围的采空区，地质构造类型属于简单。

2 顶板岩样力学参数及地应力测试分析

2.1 顶板岩样物理力学参数测试

通过对15 号煤层顶板岩层进行煤岩力学参数测试，测试结果对于后续理论计算和数值模拟优化巷道支护参数具有重要的现实意义。其具体可总结为如下3 个方面：

（1）为顶板岩石基本类型、强度等级的划分等提供重要的参数依据，对后期巷道支护方案的优化具有一定的指导意义；

（2）当采用数值模拟软件优化巷道支护参数时，可为其模型的建立提供较为准确的岩层赋值参数，从而使其建立的模型更加符合现场实际，进而使数值模拟结果更加准确、可靠；

（3）通过测定岩石物理力学性质，可为设计方运用悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论等理论方法优化锚网索支护参数时，提供重要的基础依据。

根据矿方地质资料可知该岩样为K2 灰岩，对其取岩样进行测试，结果如表1 所示。

表1 K2 岩层物理力学参数表

2.2 地应力参数测试

地应力的测试位置选择在15 号煤层顶板，顶板打钻位置定在XV1220 巷内，具体位置如图1 所示。

图1 地应力测试施工地点

地应力测试点相对于XV1220 巷道的位置关系情况如图2 所示。

图2 测试地点钻孔布置示意图

由测试钻孔得到的原始地应力结果如下：南北方向正应力（σx=1.273MPa）、东西方向正应力（σy=1.631MPa）、竖直方向正应力（σz=3.624MPa）、切应力τxz=τyz=τxy=0MPa。亿欣煤业15 号煤顶板K2灰岩中的原始地应力较小，竖直方向地应力主要由自重应力构成。总体来说，因为埋藏较浅、构造应力较小，亿欣煤业15 号煤层区域原始地应力水平较低。

因为原始应力中，竖直方向应力大大超过水平方向应力，所以巷道帮部的支护不能滞后于顶板支护，最好是帮顶同步支护。由于原始地应力以自重应力为主且整体水平较低，原始地应力影响下的巷道围岩松动圈不会发育太大，无论任何方向布置的巷道仅在原始地应力的影响下只可能产生0.8～1.0m以下的小松动圈，巷道的支护强度因此可以适当降低。巷道帮顶的锚杆长度可以设定在1.8～2.0m以下，直径可以在18mm 左右，密度也可以在1500×1800mm 以上，但是锚杆的初始锚固力必须满足规程要求。

3 原巷道支护设计

根据工程需要以及设计确定，工作面轨道回风顺槽、胶带进风顺槽掘进断面为5.2m×2.6m，净断面为5.0m×2.5m，沿15 号煤层顶板掘进。原支护方案为：顶板采用杆体为Φ20 左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，锚杆材质为Q335，长度为2200mm，杆尾螺纹为M22，型号为Φ20-M22-2200。采用树脂加长锚固，锚固长度为1300mm。锚杆托盘采用拱形高强度托盘，铺设金属网。锚杆材质为Q335，长度为2200mm，杆尾螺纹为M22，型号为Φ20-M22-2200。采用两支锚固剂（一支K2335 和一支Z2360）进行锚固。锚杆托盘采用拱形高强度托盘，铺设金属网。锚杆预紧扭矩为150N•m，锚索预紧力为100kN。顺槽巷道原支护断面如图3 所示。

图3 顺槽巷道原支护断面图

巷道在原有支护方案下，顶板极有可能发生冒顶事故，两帮极有可能发生内挤变形情况，如图4所示。

图4 顺槽巷道原支护方案矿压显现情况

4 巷道支护方案优化

本次设计在充分考虑该矿15 号煤层回采巷道层位以及顶底板围岩条件的基础上，从提高巷道支护效果同时降低巷道支护成本的角度出发，运用理论计算和工程类比法相结合的方法对15 号煤层回采巷道进行设计。确定采用“锚网支护+锚索补强”的支护方式对回采巷道进行支护，同时根据不同的围岩条件，选取了不同的支护参数。

4.1 N2102 回风平巷支护优化工业性试验

（1）当直接顶为完整K2 灰岩，且灰岩含水很少、厚度在5m 以上时。

（1） 顶板支护

① 锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，材质选 用BHRB400， 规 格 为MSGLW-400-20/2000，杆体直径为20mm，长度为2000mm。锚杆采用强力锚杆螺母M22，配合高强度托板调心球垫和减磨垫圈，托板采用高强度拱型托板，规格为150×150×10mm。锚杆采用矩形布置，排距1800mm，间距1500mm。

② 锚索索体采用1×7 高强度低松弛钢绞线， 型 号 为SKP15.24-1/1860-5400mm， 直 径为Φ15.24 mm，长度5400mm，尾部采用配套的高强度锁具。锚索居中布置一根，垂直于顶板布置，排距5400mm。锚索托板采用规格为300×300×16mm 的平托板。

（2）巷帮支护

非开采帮：采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，材质为BHRB400，规格为MSGLW-400-20/2000，杆体直径为20mm，长度2000mm。锚杆布置每排3 根，排距1800mm，间距900mm。

钢筋托梁规格为SB-14-1900-3，采用14#圆钢焊接而成。网片采用钢筋网护表，材料为Φ6.0mm的钢筋焊接而成，网孔规格为100×100mm。

开采帮：锚杆采用玻璃钢锚杆，型号为Φ20-M22-2000，杆体直径20mm，长度2000mm，杆尾螺纹为M22。锚杆布置每排3 根，排距1800mm，间距900mm。钢筋托梁规格为SB-14-1900-3，采用14#圆钢焊接而成，宽度为80mm，长度为1900mm。网片采用高强双抗塑料网护表，网格规格50×50mm，长×宽=2600mm×1900mm。优化后的顺槽支护参数设计断面如图5 所示。

（2）当直接顶为完整K2 灰岩，且灰岩含水很少、厚度为2～5m 时，支护参数同（1），但锚杆支护排距缩小至1600mm，锚索排距缩小至4800mm。

（3）当直接顶为完整K2 灰岩，且灰岩含水很少、厚度在2m 以下时，支护参数同（1），但锚杆支护排距缩小至1400mm，锚索排距缩小至2800mm。

（4）当直接顶为其他岩性时，支护参数同（1），但锚杆支护间排距调整为1100×1200mm，锚索调整为布置两根，间排距为2000×2400mm。

4.2 支护优化前后数值模拟

通过RFPA 数值模拟仿真的方法可以进一步对巷道顶板支护较差时的破坏情况以及优化后顶板支护改良后的情况进行模拟分析，如图6 所示。从中也可以看出优化支护方案能够确保顶板岩层之间不发生离层现象，说明顶板支护体结构有效地保证了顶板岩层结构的稳定性。

图5 优化后的顺槽巷道支护断面图

5 结论

（1）基于15 号煤层顶板灰岩原始应力和构造应力均较少，且顶板K2 灰岩稳定完整，属于坚硬易管理顶板，优化锚杆间排距是科学、合理的。

（2）原有支护方案下巷道矿压显现严重，针对性地对原有支护方案进行了优化设计，得到了优化后的支护方案。

（3）数值模拟了支护优化前后巷道围岩的变形破坏特征，验证了优化后的支护方案效果显著，并且降低了单位长度巷道的支护材料成本。

图6 数值模拟结果