采区巷道群支护技术研究

马东正

（西山煤电古交煤焦公司， 山西 古交 030200）

引言

马兰矿南五下组煤采区设计8 号煤及9 号煤联合布置，分层开采，采区不施工石门及采区煤仓。通过延伸南一下组煤采区准备巷道解决采区运煤、运料及通风系统；9 号煤布置辅助运输巷及集中皮带巷两条准备巷道，回风复用8 号煤准备巷道。采区采用无轨胶轮车辅助运输。

南五下组煤采区沿8 号煤层布置辅助运输巷、集中皮带巷和两条集中回风巷，多巷并进。辅助运输巷全长1 573 m，设计巷道宽5.7 m，高4.2 m，辅助运输巷实为沿南一下组煤轨道下山延伸，与集中皮带巷间留净煤柱20 m，集中皮带巷和集中回风巷间留净煤柱19.5 m，两条集中回风巷间净煤柱宽度21.5 m。先掘进集中皮带巷，随后延伸辅助运输巷，最后掘进两条集中回风巷，属于典型的巷道群掘进。四条采准巷道掘进属于多巷道群开挖，巷道间相互作用影响较大，为此需要新型支护方式满足巷道支护要求。

1 顶板围岩结构窥视

为给南五下组煤采区巷道支护设计提供基础参数，在8 号煤辅助运输巷布置了地质力学测试站，测点顶板钻孔深度22 m，首先利用钻孔窥视仪观察顶板围岩的结构，掌握顶板岩层的结构面特征，为确定锚杆锚索预应力水平提供依据[1]。从钻孔孔口位置连续拍摄了顶板岩层结构形态，如图1 所示。钻孔窥视图片很清晰地呈现出顶板岩层岩性组成，以及岩层结构面的发育状况，仔细分析可得出以下结论：

顶板10 m 范围岩层主要由灰岩、砂质泥岩及石灰岩组成，不同岩性岩层厚度分布不稳定，结构发育差别很大，灰岩层结构致密，几乎没有裂隙，也不存在层理、节理等弱结构面，对于施工锚杆锚索非常有利；顶板锚杆锚索控制范围岩层结构完整，易引起顶板离层的水平层理分布少，锚杆锚索施加适中的预应力就能够保持岩层的稳定。

图1 巷道顶板钻孔窥视结果

2 巷道群开挖应力分布特征分析

为了分析辅运巷以及相邻巷道掘进过程中支承压力分布特征，采用FLAC3D 数值软件进行了巷道群应力特征分析[2]。

2.1 数值模型建立

采用大型FLAC3D 数值软件进行模拟，根据实际地质条件建立模型，尺寸为120000×50000×35500 mm，划分为216 000 节单元和231 842 个节点，如下页图2 所示。在建模过程中严格按照地质剖面图的尺寸，坐标系采用直角坐标系，XOY 平面取为水平面，Z 轴取铅直方向，并且规定向上为正，整个坐标系符合右手螺旋法则。三维模型的边界条件取为：上部为自由边界，四周和底部采用铰支。

2.2 数值计算结果分析

2.2.1 集中皮带巷掘进

模拟按照四条采准巷道分布开挖顺序，先掘进皮带巷，巷道开挖后，下页图3 给出巷道两侧支承压力分布曲线。

图2 数值模型

图3 支承压力分布曲线

皮带巷开挖后，破坏了原岩应力平衡状态，应力由三向转化成二向，重新分布后达到新的平衡。巷道两侧出现了应力集中，巷道左侧距左帮2.2 m，垂直应力峰值为15.3 MPa，应力增高系数为1.55；巷道右侧距右帮2.1 m，垂直应力峰值为15.4 MPa，应力增高系数为1.56；皮带巷两侧支承压力分布曲线基本呈对称性，应力集中系数基本相当，垂直应力的最大值距两帮距离基本相同；应力重新分布达到新的平衡后，距离巷道两帮大约24 m，垂直应力才衰减到原岩应力状态，表明皮带巷开挖的影响范围大致为24 m；皮带巷两侧间隔净煤柱约20 m，分别开挖辅助运输巷和集中回风，两巷道掘进处于皮带巷开挖引起的应力集中区，但已经接近原岩应力，故而影响不大。

2.2.2 辅运巷掘进

皮带巷开挖后，紧接着掘进辅助运输巷，两巷道都完成开挖后，巷道两侧垂直应力的分布特征见图4 所示。

辅助运输巷开挖后，巷道两侧也出现了应力集中，距右侧巷帮1.9 m，垂直应力峰值为17.1 MPa，应力集中系数为1.73；距左侧巷帮2.2 m，垂直应力峰值为17.2 MPa，应力集中系数为1.74；辅运巷开挖过程对已掘皮带巷围岩应力分布有影响，巷道两侧应力集中程度都有所增大，靠近煤柱侧应力集中系数由原来的1.56 提高到1.61；远离煤柱侧应力集中系数由原来的1.55 增加到1.57；而影响范围靠近煤柱侧有所减小，远离煤柱侧有所扩大，但波动范围很小；两巷开挖后，煤柱支承压力形成了类似马鞍型分布特征，基本呈对称型分布，煤柱右侧应力集中略比左侧大，而煤柱中央应力集中程度最低，应力集中系数为1.2，高于原岩应力，表明两侧巷道开挖，煤柱中央应力出现了应力叠加现象，煤柱中央也形成了高集中应力；煤柱宽度大小影响着支承压力的分布特征，辅助运输巷与集中皮带巷间煤柱净宽20 m，煤柱中央垂直应力仍然处于较高集中状态，保持煤柱稳定关系到两侧巷道围岩的稳定。

图4 支承压力分布曲线

2.2.3 集中回风巷掘进

辅助运输巷掘进完成后，开始掘进集中回风巷，支承压力分布曲线见图5。

图5 支承压力分布曲线

集中回风巷开挖后，巷道两侧出现了应力集中，右侧应力最大达到16.4MPa，应力集中系数为1.66；左侧应力最大值达到了15.9 MPa，应力集中系数为1.59；受到回风巷开挖的影响，皮带巷围岩应力分布发生了改变，巷道围岩垂直应力都增大；而辅运巷围岩垂直应力都减小；回风巷与皮带巷间煤柱形成了对称性的马鞍型支承压力分布特征，两巷间煤柱宽度也为20 m，煤柱中央应力高于原岩应力，应力集中系数达到1.2，表明两巷开挖后应力发生了叠加。但由于距辅运巷较远，辅运巷受到影响很小。

按照掘进顺序，四条采准巷道开挖后，煤柱内都出现了应力集中，三煤柱全部形成两头高中间低形状的集中应力，煤柱中央应力全部由于叠加而大于原岩应力，整个煤柱内聚集了高集中应力，因此必须加强煤柱侧支护。

3 巷道支护方式

目前锚杆锚索支护已经成为巷道最主要的支护方式，且预应力是锚杆支护的关键参数[7]。为此南五下组煤采区集中辅助运输巷支护参数如下。

顶板采用“Φ22 mm×2 400 mm 螺纹钢锚杆加W 钢带加锚索加钢筋网”联合支护，锚杆间排距1 000 mm×1 000 mm；锚索间距1.5 m，排距2.0 m，每排三根；两帮采用四排Φ22 mm×2 400 mm 螺纹钢锚杆加W 托盘加锚索加钢筋网支护，锚杆间排距为900 mm×1 000 mm，最上排帮锚杆距顶板400 mm，“矩形”布置。帮锚索每隔2.0 m 布置2 根，距顶板1 000 mm 位置安装1 根，间距1 800 m 再安装1根，排距2 000 mm；顶锚索采用119 股高强度低松弛预应力钢绞线，公称直径Φ22 mm，长度5 300 mm，帮锚索长度4 300 mm。

设计锚杆预紧力矩≥400 N·m，锚索张拉力不低于250 kN。

4 井下试验

在南五下组煤辅运巷中安装了一个测站，包括两个监测断面，来监测巷道的位移状况，如图6 和图7 所示[7-8]。

通过监测数据发现，巷道两帮的最大变形量为22 mm，顶底板的最大变形量为8 mm，巷道掘进迎头在距测站25 m 范围内时增长速度较快，主要是由于掘进后，围岩向开挖空间移动，围岩的应力重新分布，经过一定的时间后，巷道的围岩趋于稳定，表现为巷道表面位移量稳定，同时可以看出，除去测量误差的存在，巷道的变形量很小，巷道整体成形状况良好。

5 结论

1）通过围岩结构窥视，掌握了顶板岩层结构面特征，可以为合理选择锚杆锚索预应力水平提供依据。

2）巷道群掘进过程会在煤柱上形成高应力集中，需加强煤帮支护。

3）解决采区准备巷支护难题不仅要提高支护强度，而且要合理选择工作面停采线的位置。

4）采用预应力全长锚固锚杆支护系统能够满足巷道群支护要求，取得了良好的效果。

图6 1 号测站a 断面巷道位移量

图7 1 号测站b 断面巷道位移量