1228综采工作面运输顺槽支护参数优化研究

任建忠

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司曙光煤矿，山西 孝义 032300）

1 工程概况

山西汾西矿业集团曙光煤矿1228工作面运输巷位于一采区西翼，巷道沿2#煤顶板掘进。2#煤位于山西组的中下部，煤层厚度2.83m，倾角2°～5°，夹矸岩性多为含炭质泥岩或泥岩，有时为泥砂岩。煤层直接顶为粉砂质泥岩，均厚2.56m，基本顶为细砂岩，均厚7m，底板为粉砂岩和粉砂质泥岩。

1228工作面运输巷采用综合机械化掘进，巷道宽5.5m×高3.5m，原有锚网索支护方案具体支护参数如下：顶板锚杆采用3根Ф20mm×2400mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为2000mm×1000mm，顶板3根锚索采用Ф21.6mm×6500mm的 1×7股钢绞线，间排距为2000mm×1000mm，锚杆索的托盘均采用规格300mm×300mm×12mm平钢板。顶板右边角锚杆与水平线成75°角，其余均垂直顶板布置；巷帮锚杆规格与顶板相同，每帮布置4根锚杆，全部垂直于巷道打设，间排距为900mm×1000mm，如图1所示。巷道掘进期间在原有支护方案下不能保障围岩的稳定，顶底板和两帮的最大移近量分别为500mm和480mm，急需对原有支护方案进行优化。

图1 1228工作面运输巷原有支护断面图

2 巷道变形与支护参数分析

2.1 巷道变形原因分析

（1）锚杆锚索布置方式。原有支护方案中的锚杆索布置在同一排内，与现有的锚杆索支护理论相违背。锚杆、锚索分别在巷道围岩浅部和深部形成范围有限的主承载结构和次承载结构，但将锚杆与锚索布置在同一排时会严重削弱锚杆的控制承载结构，使得锚杆支护效果不能得到有效的发挥，影响锚杆索对顶板围岩的整体加固效果[1-2]。

（2）锚杆锚索预紧力。预紧力在锚杆索的支护系统中起到至关重要的作用，根据规范可知预应力应为其杆体屈服强度的30%～60%。1228运输顺槽原有支护方案下锚杆预紧力矩190N·m，换算为预应力约为20kN。根据原有支护方案使用的锚杆参数可知，锚杆屈服力105kN时，锚杆预应力至少应达到30kN以上，故预应力水平较低，锚杆仍然处于被动支护状态，控制围岩效果较差。如果锚杆安装初期能够施加高预应力，能够有效控制围岩弱结构面离层发育，促使围岩由载荷体转变为承载体，防止围岩破坏区和塑性区的继续扩展，保持巷道稳定。

（3）锚杆托盘。1228工作面运输巷锚杆配套附件托板有两种类型：规格为Ф100mm×100mm×8mm的斜托盘以及规格为Ф120mm×8mm的蝶形托盘。观察托板外形，存在以下设计缺陷：托板孔口直径偏小，锚杆杆体与孔口无间隙，容易使得锚杆在扭矩、剪力和弯矩的作用下出现破断[3-4]；另原有锚杆托盘中无调心球阀，使得锚杆易受到偏载的作用，进而锚杆在偏载的作用下出现破断。

（4）锚索托盘。1228工作面运输巷锚索托板常用规格为300mm×300mm×12mm。平托板有很大缺陷：平托盘受力不均匀，施加高预应力或者承受高载荷，因非整个平面承载而造成四周翘起，托板有效承载面积大大减少，影响锚索应力传递和扩散；平托板不能与调心球阀配套，当锚索受到偏载作用，锚索索体同样受到复合应力作用，造成锚索破断，引起支护失效；平托盘因受力不均匀，施加预应力与传递工作阻力差。

2.2 支护参数分析

基于1228工作面运输顺槽围岩变形的具体条件，结合上述分析得出的此条巷道围岩变形的原因，针对问题进行具体的支护参数优化设计。

（1）锚杆托盘。为充分保障锚杆的支护效果，展开Ф120mm×8mm型锚杆托板的承载力学试验，试验结果如图2所示。

图2 Ф120mm×8mm型锚杆托板承载-位移曲线

通过具体分析图2可知，托盘承载力最小为185.82kN，最大为191.50kN。锚杆托板承载力应超过锚杆杆体极限载荷，同时要求托板具有较大的变形特征，与锚杆杆体协调变形共同抵抗围岩压力。托板达到极限承载力的变形量为6mm，相对位移太小，不利于围岩变形过程压力的释放，不利于锚杆杆体压力的缓冲。

针对托板设计缺陷，提出优化设计，并经试验加工出满足要求的高强度拱形托板。新型托板具有以下优势性能：① 拱形托盘承载能力大，规格为150mm×150mm×10mm型号锚杆托盘承载力可达到450kN，可满足不同强度等级锚杆配套使用；另外，托板拱形高度达到36mm，托板压缩变形过程可实现较大位移，可与锚杆杆体协调变形，起到卸压作用，保证锚杆杆体稳定；② 孔口加工成倒角，调心球垫能够相匹配，进而有效防止锚杆在复合应力下破断。

（2）锚索托盘。为研究合理的锚索托盘，采用ANSYS数值模拟软件对平托盘和拱形托盘进行模型分析。以锚索托板模拟为例，数值计算如图3所示。

分析图3可知，采用相同的预应力水平，平托板仅仅在孔口周边形成压应力区，且应力传递到围岩内部有限，围岩控制效果很差；而拱形托板在整个托板平面内都形成压应力区，并且向深部围岩传递，形成柱状的压应力带，控制围岩效果非常理想。

（3）锚杆索预应力。锚索预应力对巷道支护效果也起着决定性作用，预应力要求达到锚索索体破断载荷的40%～70%，具体数值也需要结合实际围岩条件和巷道控制难易程度综合确定。曙光煤矿锚索破断载荷约为520kN，锚索预紧力要求200kN，设计达到下限40%的要求。正式设计需要结合实际工程条件，提出预应力设计值。

图3 锚索托板预应力场分布图

3 支护参数优化

3.1 支护方案

基于上述巷道围岩变形原因分析及支护参数的优化结果可知，支护方案优化措施采用更换锚杆索托板为可调心拱型高强度托盘配减摩垫片，其中锚杆托盘规格为150mm×150mm×10mm，承载能力不低于250kN，锚索托盘规格300mm×300mm×14mm，承载力不低于700kN。另外提高锚杆的杆体直径Ф22mm，调整锚杆索的布置方式，提升锚杆预紧力矩到300 N·m，锚索预紧力提升到不小于300kN。

具体优化后的支护方案如下：

（1）顶板支护。锚杆形式和规格：Ф22mm×2400mm的左旋纵筋螺纹钢锚杆，间排距为1000mm×1000mm，采用树脂加长锚固，全部垂直于顶板打设，托板采用可调心拱型高强度托盘配减摩垫片，设置预紧力矩≥300 N·m。锚索采用直径Ф21.8mm×6300mmd的1×19股高强度钢绞线，间排距为1800mm×2000mm，采用“三 零”布置，预紧力≥300kN，采用1支MSK2355和2支MSZ2355树脂药卷锚固， 托盘采用拱型高强度锚索托盘。

（2）两帮支护。锚杆、托盘各项参数规格与顶板锚杆相同，锚杆排距1000mm，每排4根锚杆，间距900mm，锚杆预紧力矩≥300 N·m，锚杆全部垂直巷帮打设。

巷道网片采用10#铁丝编织的六角形金属网护帮，网片规格3000mm×1100mm，顶板采用W型钢带进行护顶，W型钢带宽度280mm，长度5300mm，孔间距1000mm，厚度4.5mm，两帮采用钢护板护帮。具体支护方案如图4所示。

图4 巷道支护方式布置示意图

3.2 支护效果分析

为分析1228工作面运输巷优化后支护效果，在巷道掘进期间对巷道围岩的表面位移进行持续55d的观测，如图5所示。

分析图5可知，巷道优化支护方案实施后，围岩的变形主要发生在巷道掘进后0～15d，顶底板平均变形速率为1.33mm/d，两帮平均变形速率为2.20mm/d，15d后巷道围岩的变形已经趋于稳定，这能够说明巷道围岩已经达到稳定状态，顶底板及两帮的最大移近量分别为22cm和34cm，有效地控制了围岩的变形。

图5 巷道掘进期间围岩变形量曲线图

4 结论

根据1228工作面运输巷的具体地质条件，采用试验+数值模拟分析相结合的方式对支护参数进行具体优化，确定更换原有平托盘为拱形托盘，提升锚杆索的预紧力。矿压监测数据显示，支护优化后的顶底板移近量和两帮变形量最大值分别为22cm和34cm，能够保障巷道围岩的稳定。