5102 回风顺槽复合片帮原因及支护优化研究

郝东梁

（1.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010；2.同煤集团永定庄煤业公司，山西 大同 037024）

巷道煤帮在集中应力作用下产生大量裂隙，抗拉强度小、承载能力弱的巷帮煤体将发生剪切滑落式片帮[1-2]。永定庄煤矿5102 回风顺槽在回采和掘进的影响下出现片帮问题，巷道帮部发生片帮后致使巷道的跨距增加，进而导致巷道整体稳定性降低，因此，如何有效控制巷帮的稳定成为了5102 回风顺槽当前亟需解决的主要问题。本文以永定庄煤矿北盘区5102 回风顺槽为例，通过分析巷道片帮的失稳原因，提出巷道片帮的支护优化措施[1-5]。

1 工程背景

5102 回风顺槽位于北部盘区，工作面标高771～782 m，煤层平均倾角为2°，属近水平煤层，设计断面为4.8 m×3.8 m 的矩形巷道，巷道设计施工全长为1 073.3 m。基本顶为砂岩（以砂质泥岩、粉砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩为主），厚度为15.32 m；直接顶为砂岩（以粉砂岩、高岭岩为主），厚度为2.70 m；直接底为砂岩（以高岭质泥岩、粉砂岩、高岭岩为主），厚度为2.51 m。5102 巷两帮采用Ф20 mm×2400 mm 的无纵筋全螺纹钢树脂锚杆，配套200 mm×200 mm×12 mm 托盘，网片采用Ф6.5 mm 钢筋网，规格为1700 mm×900 mm，网格为100 mm×100 mm。锚杆垂直于巷道帮部安装，上部第一根锚杆距顶板0.4 m，间距1 m，排距0.9 m。

由于5102 回风顺槽与北盘区8103 工作面采空区相隔8 m 保护煤柱，因此在5102 回风顺槽的掘进过程中，受开挖扰动和围岩压力影响多处发生片帮问题，破坏主要集中出现在巷帮中上部，严重影响了巷道的掘进效率和安全生产。

2 巷帮失稳破坏机理分析

巷道中常见的片帮模式包括拉裂型片帮和滑移型片帮[3-4]。拉裂型片帮往往发生在较为坚硬的煤层，巷道两帮的硬煤在支承压力P 作用下产生横向拉应力，由于硬煤的变形量较小，当水平方向拉应力大于煤体的抗拉强度时，巷道帮部将发生如图1（a）所示的拉裂型片帮。对于软煤层而言，巷道两帮的压应力能够使其压缩变形，最终导致巷帮内剪应力大于其抗剪强度，发生如图1（b）所示的滑移型片帮。

图1 巷道帮部不同片帮模式

在5102 回风顺槽的掘进过程中，除了上述两种常见的片帮形式以外，还存在一种拉裂型和滑移型组合的片帮模式，即复合型片帮。为了便于对复合型片帮进行力学分析，对复合型片帮的力学分析模型作出如下假设：（1）由于巷道的长度远大于其宽度，可将巷道视为平变应变问题进行分析；（2）假设巷道帮部煤体为连续均质且各向同性介质；（3）复合型片帮体在破坏面上的受力满足莫尔库伦准则，即：

式中：c 为巷帮煤体的内聚力，Pa；φ 为巷帮煤体的内摩擦角，（°）；σ 为垂直于剪切滑移面上的正应力，Pa。

根据5102 回风顺槽发生的片帮情况，沿巷道纵向取单位长度为研究对象，建立复合型片帮力学分析模型如图2。图中，h 为巷道的高度，m；b为片帮体的水平坍塌宽度，m；z 为片帮体破坏深度，m； h 为片帮体的滑移高度，m；G 为片帮体的自重，N；q 为巷帮煤体所受的压力，Pa；α 为破坏面与水平面的夹角，其计算式为α=45°+0.5φ，（°）。

巷道两帮上方的垂直地应力大小为

式中：γ 为顶板至地表岩体的平均容重，N/m3；H 为埋深，m。

图2 5201 回风顺槽复合型片帮计算模型

由图2 的几何关系可以看出，片帮体ACDE 的自重为：

式中：γ1为巷帮煤体的容重，N/m3。

当巷帮煤体在垂直地应力和自重应力作用下达到极限平衡状态时，有：

由文献可知[5]，巷道帮部煤体发生最大水平位移的位置位于距离顶板0.35 倍巷高处，即：

联立式（2）、（3）、（4）、（5）即可得复合型片帮体的前缘破坏高度h+z=1.22 m，片帮体破坏深度z=0.52 m，水平坍塌宽度b=0.49 m。

3 复合型片帮支护参数计算

巷道帮部的支护是通过锚索将片帮体锚固到稳定岩体来实现的，巷道帮部锚索长度为：

式中：L0为锚索支护长度，m；L1为锚索外露的长度，一般取0.3 m；L2为锚索锚入稳定岩层的锚固长度，一般取3.0 m；k 为安全系数；L3为锚索的有效长度，即片帮体水平坍塌宽度，m；L4为锚索托板长度，一般取0.1 m。

取安全系数k=3，锚索外露长度L1=0.3 m，锚入稳定岩体长度L2=3.0 m，锚索有效长度L3=0.49 m，锚索托板长度L4=0.1 m，将上述参数代入式（6）得帮部锚索长度为：

L0=0.3+3.0+3×0.49+0.1=4.87 m

考虑理论计算值与工程实际的偏差，5102 巷两帮每隔0.9 m 各布置Ф21.8 mm×5300 mm 锚索3根，配套200 mm×200 mm×12 mm 托盘，配合长2500 mm 的三眼（眼距1 m）JW 锚索钢带，固定用长×宽=3700 mm×1700 mm 的金属网，采用长边顺巷方向布置。护帮锚索垂直于巷壁安装，上部第一根护帮锚索距顶板0.4 m，间距1 m，排距0.9 m。巷道两帮距底板0.5 m 处，与护帮锚索齐排各布置一根Ф22 mm×2400 mm 螺纹钢锚杆，配套短节W钢带，施工角度为-20°。

4 支护效果

为了验证上述理论分析的合理性和工程适用性，对5102 回风顺槽进行支护试验，检验支护对巷道两帮的控制效果。通过对该区段复合型片帮区域的巷帮进行50 d 的连续监测，巷道两帮变形监测结果如图3。

图3 5102 回风顺槽帮部变形监测结果

由图3可以看出，在5102回风顺槽掘进0～20 d内，该巷道帮部变形速率和变形量较大，20 d 后巷道围岩的移近速度逐渐降低，两帮移近速度由2.25 mm/d 降至0.115 mm/d，50 d 后逐渐趋于稳定，50 d 后监测到最大移近量为36 mm，巷道两帮支护结构优化后的变形量和变形速率得到了有效的控制。

5 结论

（1）5105 回风顺槽巷帮煤体由于地应力、自重应力及后缘拉应力的共同作用产生应力集中，当滑移面上的应力分量大于巷帮煤体的极限强度时，巷道帮部将发生复合型片帮。

（2）对5105 回风顺槽两帮采用高强度锚索联合锚杆支护技术替换原有锚杆支护，可以有效改善巷帮煤体破碎情况。

（3）5102 回风顺槽支护优化后的支护结构能有效提高巷帮的整体稳定性，满足安全生产要求。