侯晓志

  （内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古自治区包头市，014010）

  摘  要  为解决寸草塔一矿5-1煤层回采巷道变形严重问题，特使用顶板离层指示仪对

煤层顶板进行观测，观测分析认为，单一使用锚杆支护并不能与顶板岩层形成有效锚固体，

必须增加锚索支护。在原支护方式基础上，设计了5种支护方案，采用FLAC3D数值模拟

软件分析了5种支护方案巷道顶板位移特征。结果表明最佳方案为每排2根锚索和5根锚

杆。工程实践表明最佳方案可以保证巷道顶板的安全。

  关键词  回采巷道巷道支护  数值模拟  支护参数  中图分类号  TD353  

1工程概况

  寸草塔一矿隶属于神华神东煤炭集团，位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内。首采51134综采工作面位于5-1煤层第12盘区，井田构造形态与区域构造一致，为简单的单斜构造，倾角一般在10～100，17线以南为沿走向发育宽缓的波状起伏，向背斜构造。19～20线之间有一正断层，断层走向2160，倾角为580，落差距20 m，井田内无岩浆侵入。上覆基岩厚度为21. 96～47. 31 m，松散层厚度为0～4. 32 m，以砂质泥岩为主。煤层埋藏深度为104～105 m，51134工作面推进长度1250 m，倾向长度285 m，工作面所采煤层厚度变化不大，结构简单，煤层厚度为2.2～2.8 m，平均厚度为2.5 m。煤层顶板相对破碎，裂隙发育；直接顶为细粒砂岩和粉砂岩，老顶为砂质泥岩，不存在伪顶，直接底为砂质泥岩、泥岩，老底为中、细粒砂岩。

2  巷道失稳原因

  51134工作面回采巷道为5.0 m×3.0 m（宽×高）矩形断面。开采初期，巷道的支护设计依据经验以及参照相邻矿井煤层按照围岩稳定性Ⅱ类（稳定）进行支护设计，顶板支护采用锚杆十菱形金属网十钢筋梁的支护形式，顶板锚杆每排4根，两帮锚杆每排各3根，锚杆直径统一为22 mm的螺纹钢，长度均为2.2 m。开采期间，由于巷道顶板岩层相对比较破碎，且受采动影响，导致锚杆支护受力不均，使得锚杆与破碎顶板未形成有效锚固体结构，巷道顶板部分区域呈现下沉趋势，致使一些锚杆、金属网失效；部分区域顶板出现3～5 mm的裂缝，且裂缝宽度呈现增大趋势，已经影响到生产的安全进行。巷帮与底板相对完好。

  为掌握顶板离层变化情况，使用顶板离层指示仪监测顶板离层位移变化。观测点布置在51134工作面前方的回风巷中，共设置2个巷道超前观测站，实测回风巷道顶板离层变化。随着工作面的向前推进，I测站顶板离层仪深部5m基点在测站距工作面49 m时，开始有1 mm的离层变形发生，观测结束时最大变形5 mm，浅部3m基点在测站距工作面15 m时，有1mm的离层变形发生，最终变形2 mm。II测站顶板离层仪深部5m基点在测站距工作面33 m时，变形1 mm，当工作面推进超前测站位置12 m时，最终位移变形5 mm，浅部3m基点在测站距工作面3m时，有1 mm变形发生，最终变形1 mm。

  通过2个测站的顶板岩层离层位移观测分析，随着工作面的推进，受工作面前方支承压力影响使巷道顶板下位3m的岩层与上位5m岩层的移动变形出现严重的不同步现象，说明此时51134工作面的回采巷道顶板岩层已经发生了离层或分离，原来巷道顶板岩层的组合岩梁变成了分离岩梁结构，分离岩梁结构比原组合岩梁整体结构所能承受的载荷要低的多。在此条件下，仅靠当前2.2 m的锚杆十菱形金属网十钢筋梁的支护形式并不能保证复合破碎顶板的稳定，顶板随时有冒落的危险。目前最行之有效的解决办法是使用高强度预应力锚索支

护，由于顶板深部5m基点层位已有位移变形，因此锚索长度必须大于5m以上。

3锚索长度计算

  巷道顶板基本全为软岩层结构，支护比较困难，按照锚索长度公式计算如下：

  将相关数据代入式(2)，计算得出锚索深入稳定层锚固长度大于1. 655 m，这里取2m。将所得数据代入式(1)得到锚索的总长度为6.2 m，为保证锚索支护的绝对安全，确定锚索长度为6.7 m。

  最终所选锚索长度为6.7 m，直径为17.8 mm。锚索托板选用300 mm×300 mm×12mm（长×宽×厚）的普通钢板，选用223400的树脂锚固剂，每孔3卷，可以满足要求。

4  回采巷道支护方案设计及数值模型建立

4.1  回采巷道支护方案

  回采巷道的支护设计是一个理论结合实际的问题。根据寸草塔一矿5-1煤层的实际条件，在原支护方式的基础上，结合以往经验及工程实际情况，设计了5种支护方案，见表1。方案中锚杆的长度2.2 m、锚杆排距1.0 m，与原方案相同，锚索排距定为2.0 m，顶板锚杆、锚索安设角度与顶板呈垂直，通过数值模拟的方法确定顶板最优支护方案。

4.2数值模型建立

  根据所设计的支护方案，采用FLAC3D数值模拟软件进行数值模拟，建立尺寸为65 mX40 m×85 m模型，固定左右方和下部的边界条件，上部采用应力边界条件，上边界建到地表为自由面。根据研究需要和现场巷道开掘的实际状况，在回风巷道内选择具有代表性的区域对围岩进行取样，经实验室测得5-煤层回采巷道围岩的力学参数见表2。

  模拟巷道断面尺寸为5m×3m（宽×高）的 矩形巷道。通过控制顶板锚杆数量（每排4根）不变，比较方案一、方案二和方案三支护效果确定顶板锚索数量；通过控制顶板锚索数量（每排1根）不变，比较方案一、方案四和方案五支护效果确定顶板锚杆数量。比较不同数量锚索和锚杆支护条件下的模拟结果，确定最优支护方案。

  5  回采巷道支护方案效果分析

  5.1  每排不同根数锚索位移分布特征

  模拟的结果可知，顶板锚杆均为每排4根的情况下，顶板锚索每排分别为1根、2根、3根时，巷道顶板下沉量分别为36 mm、27 mm、23 mm，巷道围岩位移随顶板锚索根数的增加而减小，顶板锚索每排从1根增加到2根，位移减小较快，顶板锚索每排从2根增加到3根时，巷道围岩位移量减小较为缓慢；说明在2根锚索的基础上继续增加锚索根数对于改善围岩状况效果不明显，综合考虑，方案二为锚索支护的最优方案。

  5.2每排不同根数锚杆位移分布特征

  顶板锚索均为每排1根的情况下，顶板锚杆每排分别为4根、5根、6根时，从模拟的结果得出：巷道顶板下沉量分别为36 mm、30 mm、26 mm，巷道围岩位移随顶板锚杆根数增加而减小，顶板锚杆每排从4根增加到5根，位移减小较快，顶板锚杆每排从5根增加到6根时，巷道围岩位移减小较为缓慢；增加锚杆根数对改善围岩状况效果有限，最终，确定方案四为锚杆的最优支护方案。

  通过以上数值模拟方案的比较，方案二与方案四的支护效果对提高巷道围岩稳定性有明显的改善，继续加大锚索和锚杆的支护密度对控制围岩稳定效果不明显。综合考虑，寸草塔一矿5-1煤层最优支护方案为顶板锚索由原来的无锚索增加为每排2根锚索，顶板锚杆由原来的每排4根增加到5根。

6工程应用监测结果

  通过上述确立的最优方案，应用到工程实践中，在51134工作面前方的回风巷道中布置2个巷道超前观测站（I测站和Ⅱ测站），I测站布置在距工作面60 m处，Ⅱ测站布置在距工作面90 m处，每个测站同断面分别安装3个锚杆测力计，I测站1号测力计安装在顶板靠近煤柱侧，2号测力计安装在巷道顶板中部，3号测力计安装在顶板靠近工作面侧，Ⅱ测站3个锚杆测力计安装位置同I测站，通过锚杆测力计对最优支护方案进行锚杆载荷测试。

  通过分析锚杆载荷实测数据，可以得出随着工作面的向前推进，两个测站锚杆测力计的锚杆载荷实测值在观测期间总体比较稳定，变化不大，说明该段巷道围岩稳定性较好，巷道变形破坏轻微，维护效果良好。I测站2号测力计锚杆载荷大于I测站3号测力计锚杆载荷，也大于I测站l号测力计锚杆载荷，Ⅱ测站3个锚杆测力计载荷也符合上述特征；表明锚杆载荷符合巷道顶板中部载荷>顶板工作面侧载荷>巷道顶板煤柱侧载荷。实践表明，采用预应力锚索对巷道实施补强加固支护措施后，巷道基本支护一锚杆支护载荷稳定，支护强度足够，巷道围岩整体趋于稳定，能够满足安全的要求，在完善提高的基础上可以应用于5-1煤层长壁工作面的巷道支护设计与支护实践。

7结语

  在确定锚索长度为6.7 m的基础上，运用FLAC3D数值模拟软件分析比较了5种支护方案的巷道顶板下沉量，确定巷道每排为2根锚索及5根锚杆为最优支护方案，并将该支护方案应用于工程实践中，经锚杆测力计检验，5-1煤层回采巷道围岩稳定性得到了有效控制，验证了改进后支护方案的可行性。