牛 棟

（山西陽煤集團，山西 陽泉 045000）

1 概況

山西陽煤五礦8230工作面開采的15號煤層為較復雜結構煤層，一般含矸3～4層，巖性為泥巖，堅固性系數(shù)f為2。該煤層煤巖類型為半亮型～光亮型，煤層平均厚度6.1m，平均傾角8°?；卷敒橹辛Ｉ皫r，平均厚度7.0m，堅固性系數(shù)f為4；直接頂為黑色泥巖，平均厚度10.45m，堅固性系數(shù)f為3；直接底為黑色砂質泥巖，平均厚度1.43m，堅固性系數(shù)f為3；基本底為灰黑色細砂巖，平均厚度3.15m，堅固性系數(shù)f為4。

8230工作面順槽巷道均為矩形巷道，巷道斷面寬度為5m，高度為3.2m。巷道原有的支護形式主要為錨桿和金屬網(wǎng)支護，采用鋼梁對頂板進行支護加固。在原有的巷道支護設計下，頂板部分區(qū)域下沉量明顯，裂隙發(fā)育顯著，導致錨桿和金屬網(wǎng)支護效果大打折扣。為了定量評價巷道圍巖變形和穩(wěn)定性狀況，通過離層監(jiān)測儀對覆巖的離層情況和變形量進行監(jiān)測，進而為分析巷道合理的布置方案提供重要的依據(jù)。

2 頂板離層監(jiān)測

在8230工作面進風順槽內(nèi)一共布置2個測站，每個測站布置2個測點，每個測點位置安裝1個離層監(jiān)測儀，對巷道頂板的變形量進行連續(xù)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X進行分析。

在I測站1號測點位置，在距工作面48m以外，深處覆巖未發(fā)生離層，當距工作面48m之內(nèi)時，最大離層量也僅為1mm，說明高層位頂板幾乎不受巷道掘進和采場采動的影響；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為4 mm。在I測站2號測點位置，與工作面距離分別為72m、25m、16m、8m和2m時，深處淺處覆巖離層量分別為1mm、2mm、3mm、4mm和5mm；與工作面距離分別為20m和6m時，淺處覆巖離層量分別為1mm和2mm；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為3mm。總體上，該位置巷道頂板離層量要比1號測點大。

在II測站1號測點位置，與工作面距離分別為36m、20m、12m和2m時，深處覆巖離層量分別為1mm、2mm、3mm和4mm，最大離層量為 5mm；與工作面距離為13m時，淺處覆巖離層量分別為1mm；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為4mm。在II測站2號測點位置，與工作面距離分別為40m、30m、14m和5m時，深處淺處覆巖離層量分別為1mm、2mm、3mm和4mm，最大離層量為6mm；與工作面距離分別為27m和5m時，淺處覆巖離層量分別為1mm和2mm；淺處覆巖與深處覆巖的離層量之差最大為4mm。

原有的錨桿支護仍有一定的支護能力，但無法保證巷道覆巖長期的穩(wěn)定性。從4個測點監(jiān)測到的覆巖離層量整體分析，深處覆巖在距離工作面40m以外的位置變形較大，說明大范圍的深處覆巖受采場采動影響較大，巷道頂板有垮落破壞的傾向。故在巷道掘進過程中需要及時進行支護，且支護結構可對高層位巖層起到加固作用，而單一的錨桿支護無法滿足該要求，需要采用錨索錨桿共同支護的設計。同時離層指示儀監(jiān)測的深處覆巖距巷道表面垂高為5m，故設計的錨索長度要超過5m。在距工作面20m以外淺處覆巖也存在一定的變形，故需要采用錨索+錨桿+錨網(wǎng)的聯(lián)合支護形式才可以最大程度地維持巷道圍巖穩(wěn)定性。

3 巷道支護設計

依據(jù)懸吊理論和免壓拱理論得到的錨索長度計算公式見（1）所示。

式中：

l1-可能垮落的覆巖厚度，m；

l2-錨索外露長度，m；

l3-錨索錨固長度，m。

l1可根據(jù)公式（2）求得：

式中：

B-巷道斷面寬度以及巷幫片幫深度之和，m；

f-巷道覆巖平均普氏硬度，取0.49。

距巷道表面垂高為5m的位置覆巖離層量較大，為了使錨索將發(fā)生離層的覆巖錨固到穩(wěn)定巖層中，盡可能地提高覆巖穩(wěn)態(tài)，確定錨索錨固長度為1.5m，外露長度為0.2m，則根據(jù)公式（1）確定錨索長度為6.7m。從利于巷道支護結構施工的角度出發(fā)，最終設計錨索長度為6.8m。

4 巷道支護參數(shù)數(shù)值模擬

確定支護形式后，需要進一步對支護參數(shù)等進行優(yōu)化。基于確定的錨索長度，通過數(shù)值模擬軟件對不同支護體數(shù)量下的巷道圍巖穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，最終可確定最優(yōu)的支護方案。建立模型走向長度為65m，傾向長度40m，模型高度選擇為85m，模型四側施加水平約束條件，底部施加水平和豎直雙向約束條件，上表面施加等效均布荷載，本構模型選擇為庫倫摩爾準則。擬開挖巷道斷面寬度為5m，高度為3m。

（1）錨索數(shù)量

頂板布置不同數(shù)量錨索下的巷道圍巖塑性屈服特征顯示：當布置錨索數(shù)量為1根時，巷道頂板破壞形式以剪切破壞為主，且兩邊破壞的范圍要大于中部，整體破壞圍巖呈馬鞍形分布，破壞范圍較大；當錨索數(shù)量為2根時，巷道頂板破壞仍以剪切破壞為主，破壞范圍要明顯減小，說明巷道覆巖變形失穩(wěn)得到了較好的控制；錨索數(shù)量為3時，覆巖破壞范圍與錨索數(shù)量為2時的破壞范圍相差較小，說明錨索數(shù)量為2時就已經(jīng)可以較好地維持覆巖穩(wěn)定性。

（2）錨桿數(shù)量

頂板布置不同數(shù)量錨桿下的巷道圍巖塑性屈服特征顯示：當布置錨桿數(shù)量為4根時，巷道頂板破壞范圍較大；當錨桿數(shù)量為5根時，巷道頂板破壞范圍要明顯減小，說明巷道覆巖變形失穩(wěn)得到了較好的控制；錨桿數(shù)量為6時的覆巖破壞范圍與錨桿數(shù)量為5時的破壞范圍相差較小，說明當錨桿數(shù)量在5以上時，錨桿控制巷道覆巖穩(wěn)定的效果趨于一致，錨桿數(shù)量為5時就已經(jīng)可以較好地維持覆巖穩(wěn)定性。

當頂錨索數(shù)量為2，頂錨桿數(shù)量為5時，巷道頂板的穩(wěn)定性就可以得到較好的控制。優(yōu)化后的巷道頂板支護方案為：錨桿索、金屬網(wǎng)加鋼帶聯(lián)合支護形式；錨桿為5根A3圓鋼加工而來的金屬樹脂錨桿，長度為2200mm，支護間距和排距均設定為1000mm，靠近巷幫的錨桿打設在距巷幫300mm的位置；錨索布置2排，與兩幫距離均為1500mm，長度為6800mm，支護排距為2000mm，間距為2200mm。如圖1所示。

圖1 優(yōu)化設計斷面支護圖

5 結語

（1）在巷道原有的支護形式下，無法保證巷道覆巖長期的穩(wěn)定性。離層監(jiān)測儀監(jiān)測的深處覆巖距巷道表面垂高為5m，距工作面20m以外淺處覆巖存在一定的變形。

（2）優(yōu)化后的巷道頂板支護方案為：頂板錨桿為5根A3圓鋼金屬樹脂錨桿，長度為2200mm，支護間距和排距均設定為1000mm；錨索布置2排，與兩幫距離均為1500mm，長度為6800mm，支護排距為2000mm，間距為2200mm。