1、大断面煤巷围岩支护技术连璞1，杨慧瑶2（1.长治职业技术学院 机械电子工程系，山西 长治046000；2.太原理工大学 电气与动力工程学院，太原030002）摘要：大断面巷道跨度大，尤其在厚煤层中掘进的大断面巷道容易出现顶板大量弯曲下沉及破碎，给巷道的支护问题带来了极大的挑战。为解决这一难题，采用力学分析、数值模拟的方法分析了大断面巷道顶板弯曲下沉的原因，并对不同巷道断面的应力及塑性区分布规律进行模拟，最终提出了支护方案。研究表明：对于大断面巷道最大弯曲下沉量应在顶板中点，随着巷道断面的增大，围岩塑性区域面积随之增大，顶板垂直应力逐渐减小，自承能力变差；顶板布置合理的高预应力锚索能有效地控制顶
2、板离层，防治顶板大面积冒顶。在顶板设置对称分布的3根高预应力锚索后，顶板低应力区域明显减小，垂直位移减小，能够有效控制大断面巷道顶板冒落。关键词：大断面；煤巷；高预应力；围岩控制中图分类号：TD322文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 058 03Surrounding Rock Support Technology of Large Section Coal RoadwayLIAN Pu1,YANG Huiyao2(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Changzhi Vocational and
3、 Technical College,Changzhi 046000,China;2.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030002,China)Abstract：The span of large section roadway is large,especially the large section roadway excavated inthick coal seam is prone to a large number of bending,sink
4、ing and breaking of roof,which brings greatchallenges to the support of roadway.In order to solve this problem,use the methods of mechanicalanalysis and numerical simulation to analyze the reasons for the bending and subsidence of the roof oflarge section roadway,simulates the distribution law of st
5、ress and plastic zone of different roadwaysections,and finally puts forward the support scheme.The research shows that the maximum bendingsubsidence of large section roadway should be at the midpoint of roof.With the increase of roadwaysection,the plastic area of surrounding rock increases,the verti
6、cal stress of roof decreases gradually,and the worse the self-supporting capacity is;the high prestressed anchor cable with reasonable rooflayout can effectively control the roof separation and prevent large-area roof fall.After threesymmetrically distributed high prestressed anchor cables are set i
7、n the roof,the low stress area of theroof is significantly reduced and the vertical displacement is reduced,which can effectively control theroof caving of large section roadway.Key words:large section;coal roadway;high prestress;surrounding rock control第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.0
8、2Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0140引言我国煤矿开采方式主要采用井工开采，其中煤巷占井工开采地下巷道的80%以上。随着煤矿开采技术的快速发展，巷道断面的尺寸也有所增加，但随之而来的是煤巷围岩变形增大，围岩控制困难，对巷道的断面尺寸也提出了更高的要求。根据以往的研究和观测表明，巷道断面跨度越大，顶板越容易产生弯曲下沉。此外，大多数大断面巷道是在厚煤层中形成的煤巷，巷道顶板的煤体相对岩层强度较弱，在掘进和工作面开采时往往容易出现离层和变形，若支护质量较差容易出现大范围的冒顶和垮帮现象，严重制约了矿井的安全生产。因此，本文将通过力学模型对巷道断面的受力特性
9、进行分析，并采用FLAC3D模拟大断面煤巷应力、塑性区的分布规律，最后提出支护方案，为类似大断面煤巷的支护设计提供理论支持。1工程背景某矿20322运输巷宽5.6 m，高3.5 m，为典型的大断面煤巷。20322工作面平均煤厚6.2 m，赋存稳定，为近水平煤层。煤层直接顶为粉砂岩，厚度11.9 m，基本顶为细粒砂岩，厚度2.38 m，基本底为粉砂岩，黏土质胶结，厚度2.42 m。煤层结构较为简单，含12层夹矸。20322运输巷在掘进期间即发生顶板冒顶，巷道围岩稳定性较差。2巷道顶板弯曲变形及稳定性分析采用薄板理论，将巷道顶板简化为两边固定，受载荷均匀的无限长薄板力学模型，分析巷道顶板及岩层的弯
10、曲变形。巷道顶板力学模型如图1所示。设岩层挠度为w，则挠度w=n=1an(1-cos2nxl)（1）式中n,an挠度系数,nN+；x巷道任意一点宽度，m；l巷道宽度，m。巷道两端张力583.2不同巷道断面垂直应力变化规律不同巷道断面的围岩垂直应力分布图如图3所示。由图3可以看出，随着巷道断面的增大，巷道顶板垂直应力逐渐减小，这是由于巷道在开挖后将释放大量能量，巷道残存应力较低，巷道顶板的低应力区域很大程度上反映了巷道顶板自承能力较差，发生了较大变形。巷道两帮应力较大，形成应力集中区域，随着巷道断面的增大，巷道两帮的垂直应力越大，应力集中越强，巷道两帮容易出现垮帮现象。4大断面煤巷围岩稳定性控制
11、由以上分析表明，大断面煤巷围岩顶板肩角处存在大量的塑性区，顶板下沉量较大。这主要是由于巷道顶板多半为煤层，煤的强度普遍低于岩层，当巷道开挖后应力释放，促使煤与岩层之间产生离层，且煤体易离散破坏，导致顶板容易出现冒顶、变形等现象。根据以往的研究表明，高预应力锚索能够有效在锚固区范围内形成承载结构，防止锚固区及锚固区以外的岩层出现离层。本节采用FLAC3D对原支护方案和加强顶板锚索控制的新支护方案进行比较，分析在顶板形成高强度支护结构后，巷道围岩的稳定性差异。20322运输巷原支护方案如图4所示。图3不同巷道断面围岩垂直应力分布规律S=hE2l2(1-2)n=1an2n2（2）式中h岩层厚度，m；
12、E岩层弹性模量，MPa；岩层泊松比。巷道最大弯曲下沉量wmax应在顶板中点，即wmax=3ql4(1-2)8Eh32(1-2S)tanhS2S（3）式中q上覆岩层均布载荷，MPa。图1巷道顶板力学模型由式（3）可以看出，当巷道宽度越大，巷道顶板的弯曲变形量越大，巷道顶板的稳定性与巷道跨度也有着直接关系。3不同巷道断面围岩稳定性分析根据20322运输巷实际情况，设计5个巷道断面方案，分析不同断面巷道的塑性区分布、垂直应力分布情况，比较不同断面的巷道围岩稳定性。巷道断面方案如表1所示。表1不同巷道断面模拟方案3.1不同巷道断面塑性区变化规律不同巷道断面的围岩塑性区分布图如图2所示。由图2可以看出，
13、巷道断面从方案1方案5，塑性区域面积随巷道断面的增大而增大，巷道塑性区域均呈蝶形，巷道肩角处塑性区域均多于顶底板。方案1、方案2两巷道断面塑性区域面积大小差别不大；方案3，巷道断面为5 m3.5 m时，塑性区域开始显著增大，且大面积向顶底板肩角处延伸。大断面煤巷围岩支护技术连璞，等第42卷第02期Vol.42 No.02方案244方案143.5方案尺寸/m方案353.5方案456方案566（a）方案1（b）方案2（c）方案3（d）方案4（e）方案5图2不同巷道断面塑性分布图Colorby:State-Averagetension-n tension-ptension-pshear-p tens
14、ion-pshear-pshear-n shear-pNonePlane:onZoneColorby:State-Averagetension-n tension-ptension-pshear-p tension-pshear-pshear-n shear-pNonePlane:onZoneColorby:State-Averagetension-n tension-ptension-pshear-p tension-pshear-pshear-n shear-pNonePlane:onZoneColorby:State-Averagetension-n tension-ptension-p
15、shear-p tension-pshear-pshear-n shear-pNonePlane:onZoneColorby:State-Averagetension-n tension-ptension-pshear-p tension-pshear-pshear-n shear-pNonePlane:onZoneSSxxlzq巷道断面（宽高）/m4344545666左肩角顶板中部右肩角左帮右帮垂直应力/MPa16141210864259图420322运输巷原支护方案新支护方案欲在顶板处加强锚索控制，考虑到经济与效果的基础上，在顶板处每排设置3根锚索，其中中部的锚索垂直于顶板，两边锚索与顶板
16、垂线夹角为15，每根锚索预应力不小于100 kN。4.1不同支护方案围岩垂直应力变化原支护方案与新支护方案情况下的巷道围岩垂直应力图如图5所示。由图5（a）可以看出，在增加1根锚索且调整锚索位置的情况下，顶板的垂直应力大小即有明显区别。两支护方案顶板垂直应力分布特征相似，但原支护条件下顶板应力几乎为0，说明原支护方案对顶板的控制作用不大，顶板的应力环境并未得到改善；由图5（b）可以看出，当采用新支护方案后，顶板应力环境得到了显著改善，为46 MPa，减小了应力释放范围，对顶板稳定性起到了重要作用。（a）原支护方案围岩垂直应力（b）新支护方案围岩垂直应力图520322运输巷2种支护方案垂直应力（单位：Pa）4.2不同支护方案巷道顶板垂直位移变化原支护方案与新支护方案情况下的巷道顶板垂直位移图如图6所示。由图6可以看出，在原支护方案的控制下，顶板位移较大，顶板中部下沉量达到281 mm，在新支护方案的控制下，顶板肩角处及顶板中部垂直位移量显著减小，顶板最大位移量仅为158 mm，能够有效地控制顶板下沉量。图620322运输巷2种支护方案顶板位移5结语（1）由力学分析可得，巷道顶板的最大弯曲
