软煤综放顺槽支护技术优化

［摘要］针对软煤层综放顺槽支护困难的问题，采用数值模拟进行了支护优化研究，研究了工字钢、锚杆、锚索等不同支护形式对软煤顶板围岩变形、应力分析、塑性区发展破坏等的影响。给出了采用锚索与锚网带支护软煤顶板的优化支护参数，证实了其可行性。

［关键词］软煤顶板；优化；数值模拟；锚索

1 概述

西山煤矿总公司镇城底矿主采2．3#与8#煤层，煤层厚度在4．5～5．0m，赋存稳定但构造复杂，主要是断层多且无规律性，落差在2．0～6．0m左右，由于高档普采的诸多不利因素，2002年引进综采放顶煤技术，在本矿南二采区22202首采工作面试验，因此，如何经济有效地维护沿软煤层底板掘进巷道的稳定性成为支护设计优化必须解决的问题。而煤巷锚杆支护是当今巷道支护的发展方向，锚杆(索)支护的数值分析和优化研究显得十分必要。

2 工程概况

22202工作面为镇城底矿南二采区首采工作面，由于放顶煤的技术要求，22202正巷沿2-4#煤底板掘进。煤层厚度为4．5～5.0m，平均4．5m，煤层倾角2°～6°，平均5°左右，开采深度300～400m。煤层直接顶厚1．15m，岩性为细砂岩，其节理裂隙发育，淋水大，老项厚4．23m，岩性为砂质泥岩，底板为砂质泥岩，厚0．6m。

现有采面主要为一次采全高综采放顶煤工作面，典型采面22202、22204、22206等采面。回采工作面的倾斜长度为160m左右，走向长度为1200m左右。回采工作面原有的布巷方式为沿顶板掘进的布置方式，回采巷道断面在8m2左右，采用的支护形式包括11#工字钢支架、φ18×1800mm螺纹钢树脂锚杆加钢筋梯子梁或金属网等支护形式。

由于煤层本身比较破碎，加之存在软弱分层，这种复合顶板给支护带来困难，顶煤变形严重；采用工字钢梯形棚支架的造价较高，同时支架结构失稳仍然时有发生，工字钢仍然难以支护住顶煤；同时，沿底扳掘进的巷道采用普通锚梁网支护措施时，煤层中锚杆的锚固力难以保证；厚煤层易发生离层，因此煤顶巷道中如何经济有效地设计锚杆(索)参数以控制离层、维护巷道的稳定性就显得非常重要。

3 数值模拟研究

数值分析是研究巷道围岩变形和支架受力状况的有力工具。随着计算机技术的不断发展，人们采用了许多数值计算方法分析巷道围岩的应力场与位移场，如有限单元法、边界元法及离散单元法，并取得了可喜的成果。数值计算具有许多其它研究方法无法比拟的优点，它经济、快速，可同时进行众多支护方案的比较，计算结果可以为井下工业性试验工作提供理论依据，在一定程度上避免井下施工的盲目性。采用中国科学院计算机所软件工程研究室提供的大型结构应力分析CAT程序，对锚杆支护的回采顺槽围岩应力场与位移场进行了计算，以探讨锚杆的支护性能、合理参数及与围岩的相互作用。

3.1数值分析模型

数值分析中模拟巷道的自然状况，煤层厚度为5．3m，煤层倾角为5°，直接顶厚度为1．15m，模拟矩形巷道的断面为7．6m2，巷道沿煤层底板掘进。考虑巷道变形的影响范围，取5倍以外的区域作为计算模型的边界，计算模型的尺寸为26×22m。计算模型的上边界为荷载变形条件，左右外边界的位移边界条件是固定横向位移，Y方向(竖向)位移约束为自由的，模型的底部采用约束X、Y方向位移。巷道位置标高-330m，参考本地区地应力测试和研究成果，从巷道的破坏状况和断层带构造应力显现看，构造应力对巷道变形破坏有明显影响，计算模型的边界采用15MPa和7．5MPa的竖向和水平应力进行计算。

根据已有的围岩强度测试结果，计算范围内，自下而上的主要岩、煤层的围岩力学计算参数如表1所示。表1

围岩力学参数

为了研究不同的支护措施与支护参数对沿厚煤层底板掘进巷道稳定性的影响、研究不同支护措施对回采巷道位移场、应力场、塑性区与巷道破坏趋势的发展和影响，共分析计算了5个计算模型，见表2.31。顶板螺纹钢树脂锚杆、锚索、两帮普通圆钢锚杆的初锚力分别为40KN、100KN、20KN；正常锚固大不低于70KN、200KN、40KN。

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 不同支护模型时巷道位移比较

对维护煤层巷道的稳定而言，有效地控制顶板下沉、两帮收敛、控制巷道周边塑性区的发展、巷道周边应力集中等是非常重要的。为便于比较，计算模型时步均为3000步。不同支护形式数值分析模型巷道的变形、位移结果比较，见表2

不同支护类型数值分析模型的比较表

巷道无支护时显然会自然垮落，与巷道两帮的收敛相比，顶板垮落位移会更加明显。工字钢支护达到稳定状态时，上、下帮收敛位移均较大，且比较接近，这说明工字钢支护有发生结构失稳的可能。锚梁网支护时，与工字钢支护相比，顶板下沉更加明显，也说明由于煤层较厚，单纯的锚梁网支护时，难以有效地支护住顶板。事实上，巷道的塑性区发展、最大主应力的分布等均因不同的支护形式而不同。锚梁网锚索支护1时，项板的下沉位移比单纯的锚梁网支护小，说明锚索支护能有效地控制项板离层。锚梁网锚索支护2时，由于顶板增加了两根锚杆，顶板下沉及两帮收敛位移均小于锚梁网锚索支护1。

表3中沿底模型不同支护形式的位移、变形结果直观地反映了不同支护形式对控制沿底巷道稳定性的贡献。比较表明模型5(锚梁网锚索支护2)能最有效地维护巷道的稳定性。

3.2.2 不同支护形式时围岩破坏状况的比较

图1为沿软煤层底掘进的巷道的围岩变形、破坏状况图。图1表明，无支护时会产生明显的顶板垮落，煤层顶板出现大范围的拉破坏区，而且由于应力重新分布，这种拉应力趋势由顶板波及两帮，表明支护的难度是顶板——两帮依次降低。

由于工字钢支架为被动支护结构，比较而言，工字钢为强力型支架，两帮总收敛大于顶板下沉。两帮有一定范围的拉应力区，由于两帮收敛挤压，工字钢支架发生结构失稳时有发生，数值计算也证实这一结果。

采用锚梁网支护时顶板下沉明显，从控制顶板下沉看，单一的2．0m的树脂锚杆偏短，不利于控制顶板离层，故适当采用一定量的锚索加固是必要的。锚梁网加锚索支护时，除两帮很小区域有一定塑性区外，巷道顶板是稳定的，由于应力重新分布，在底板会出现少量的塑性区，底板并无明显底鼓，应该提到的是，顶板采用这种支护结构，已能有效地控制位移，但不能消除下沉与收敛。这也说明主动支护结构允许围岩产生一定位移，确保围岩与支护结构共同承载是十分重要的。研究表明顶板采用4根锚杆与1根锚索的锚梁网结构(即模型5)就能有效地控制厚顶煤巷道的稳定性了。
    

图1不同支护形式时巷道围岩变形、破坏状况图
     (a)模型1；(b)模型2；(c)模型3；(d)模型5

3.2.3 不同支护形式时围岩应力状态比较

图2为不同支护形式数值分析模型的围岩最大主应力等值线图的部分结果。最大主应力等值线图的直观分析表明，不同的支护形式围岩的最大主应力分布是不同的。无支护时，最大主应力等值线形状与围岩的产状相类似；工字钢支护时，围岩的最大主应力形状则明显不同，在项角部位应力集中明显，且最大主应力达27．5MPa；锚梁网加锚索支护时最大主应力等值线图与工字钢支护时明显不同，最大主应力24MPa，体现出主动支护与被动支护对围岩应力场影响的差异；相比而言，锚索的支护方式更能降低围岩应力集中，锚索能更有效地维护厚煤层顶板的稳定。

图2不同支护形式围岩最大主应力等值线图
     (a)工字钢支护；(b)锚索支护时

4 应用

数值模拟分析为支护设计与现场应用提供了理论基础，上述研究表明，采用锚梁网加锚索支护形式，能有效地控制厚煤层综放工作面回采巷道围岩稳定。为此，在镇城底矿南二采区首采工作面22202正巷进行了试验研究，巷道断面为矩形，宽3．0m，高2．3m，采用模型5支护方式，参数如下：

(1)顶板支护

锚杆形式和规格：杆体为18#螺纹钢筋，长度2．0m，杆尾螺纹为M18。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两卷锚固剂，规格K2455和Z2455。钻头菹径为27mm，锚固长度为1377mm。

钢筋梯子梁：φ14Q235钢筋焊制而成，长2880mm，宽76mm。

托板：采用碟形高强度托盘。

锚杆角度：靠近煤帮的顶板锚杆安设角度为与垂线成25°。

网片规格：采用菱形金属网护顶。

锚杆布置：锚杆排距0．7m，每排4根，间距0．9m。

图3  22202正巷沿底掘进锚杆支护设计断面图及平面图

锚索形式和规格：锚索材料为φ15．24mm，1×7股高强度低松驰预应力钢铰线，长度5．5m，树脂加长锚固，采用1支K2455和3支Z2455树脂药卷锚固，锚固长度为2297mm。采用300mm长的短π梁作为锚索托板。锚索布置：锚索布置在巷道顶板中部，间距为2．1m。

(2)两帮支护

锚杆形式和规格：采用φ16mmA@3钢圆钢锚杆，长度1．8m，杆尾螺纹为M16。

锚固方式：树脂药卷端头锚固，钻头直径为27mm，每孔1支K2455药卷。

托板：采用碟形高强度托盘。

锚杆角度：垂直煤壁布置。

网片规格：采用菱形金属网护帮。

锚杆布置：每帮布置两排，排距0．7m，间距0．7m，上排距顶板0．4m。现场支护情况见图3。

5 巷道监测

对试验巷道进行了巷道下沉与收敛量测，试验结果如图4所示。测试表明，采用锚杆加锚索支护软煤综放顺槽，巷道的初期收敛变形增长明显，在20余d左右变形速率明显减小，逐步趋于稳定。

6 结论

支护优化数值分析研究表明，在软煤综放顺槽中，对于软厚煤顶板采用锚索加锚梁网形成锚拉支护能经济有效地维护巷道稳定，它比传统的工字钢和锚梁网结构更能改善围岩应力状态，减小围岩塑性区发展，提高支护结构的稳定性，具有很好的社会效益和经济效益。

图4掘进影响及掘后稳定期间巷道来面位移