运输顺槽巷道支护参数的优化设计

冯兴凯

（山西焦煤集团西山煤电集团官地矿机电科， 山西 太原 030022）

引言

巷道支护效果和质量是影响煤矿安全生产的关键因素。在实际生产中，随着工作面的不断推进、煤层赋予条件的变化以及断面形状的变化，采用事先设计的支护方案无法充分保证工作面生产的安全性[1]。因此，需根据现场实测所得的工作面地质、水文以及煤层所赋予的条件对巷道的支护方案从理论层面进行优化设计。本文以某煤矿的大断面运输顺槽巷道为研究对象，对其支护参数进行优化设计。

1 工程概况

以某矿运输顺槽巷道为研究对象，该工作面的走向长度为2 020 m，倾斜长度为295 m；工作面煤层厚度范围为4.2～6.18 m，平均煤层厚度为5.46 m；该运输顺槽巷道的净高度为4 200 mm，净宽度为6 200 mm。运输顺槽巷道的顶底板情况如表1 所示。

表1 某矿运输顺槽的顶底板情况

经对运输顺槽现场勘测可知：该工作面巷道的地质结构简单，巷道围岩中所含的粘土矿物的比例较大，且巷道的水文地质条件不复杂。此外，在当前支护方案下巷道内围岩主要以破碎的散体状态存在，无法保证巷道的稳定性。

2 运输顺槽支护现状分析

2.1 运顺顺槽原支护参数

在原先支护方案下，采用锚杆+锚索对巷道顶板进行支护，采用锚杆+金属梁对巷帮进行支护。具体支护参数如下。

2.1.1 顶板支护参数

1）所选用锚杆的直径为20 mm，长度为2 000 mm，每排锚杆之间的间距为1 500 mm，锚杆与锚杆之间的间距为1 000 mm，每排共有四根锚杆。锚杆采用K3335和Z2360的树脂药卷进行固定。采用规格为50 mm×50 mm 的金属网对其锚杆进行支护，金属网的长度为3 500 mm，宽度为1 000 mm。

2）所选锚索直径为18.9 mm，长度为7 300 mm，锚索与锚索之间间距为1 500 mm，每排锚索间距为3 000 mm，同样采用K3335和Z2360的树脂药卷进行固定。

2.1.2 巷帮支护参数

所选用锚杆的直径为18 mm，长度为1 800 mm，每排锚杆之间的间距为1 500 mm，锚杆与锚杆之间的间距为1 000 mm，每排共有三根锚杆。锚杆采用Z2360的树脂药卷进行固定[2]。采用规格为50 mm×50 mm 的金属网对其锚杆进行支护，金属网的长度为2 500 mm，宽度为2 000 mm。

运输顺槽巷道原支护方案如图1 所示。

图1 运输顺槽原支护方案（单位：mm）

2.2 原支护方案的变形监测

在原运输顺槽的支护方案下，对其工作面顶板的下沉量和巷帮的收敛量进行监测，总共监测时间经历20 天。为保证可从整体上反映现支护方案下对工作面的支护效果和质量，选择两个断面进行监测，所得的监测数据如表2 所示。

表2 原支护方案下运输顺槽的支护效果

分析表1 可知，运输顺槽巷道在现有的支护措施下顶板发生较大的变形，巷帮的收敛量很大，从而导致工作面巷道出现较为严重的离层现象[3]，说明现支护方案对工作面巷道围岩的控制力度不够。因此，急需对该运输顺槽巷道的支护参数进行优化设计。

3 运输顺槽支护参数的优化

针对原支护参数下巷道变形大的问题，结合自稳隐形拱理论对其支护方案进行优化，使得工作面巷道应力分布均匀，从而达到减小巷道变形量的目的。

3.1 锚杆参数的优化

基于自稳隐形拱理论，当运输顺槽顶板固定锚索后其对应的自稳隐形拱高度为1.9 m。则，顶板所需锚杆的长度计算公式如式（1）所示：

式中：L1为顶锚杆外露的长度，取0.1 m；L2为自稳隐形拱高度，取1.9 m；L3为锚杆伸入自稳隐形拱外的距离，取0.5 m。经计算可知，顶锚杆的总长度为2.5 m。

根据顶锚杆长度为2.5 m，结合当前市面锚杆的通用规格，拟选用顶锚杆的直径为20 mm。根据式（2）计算得出每排锚杆的数量：

其中，n 为每排锚杆的数量，G 为顶板冒落拱内锚杆承担煤体的载荷，取151.98 kN；QB为所选型锚杆的屈服强度，取65 kN[4]。经计算的，n=4.67。则，取每排锚杆的数量为5 根。由于巷道的宽度为6 200 m，则确定锚杆之间的间排距为1 400 mm，对应每排锚杆的间距为900 mm。

最终得出针对运输顺槽顶板的锚杆支护所选型的锚杆参数为：直径为20 mm，长度为2 500 mm，间排距为900 mm×1 400 mm，每排锚杆的数量为5 根[5]。

同理，运输顺槽巷帮锚杆支护所选型锚杆的参数为：直径为20 mm，长度为2 200 mm，每排锚杆数量为3 根，间排距为7 00 mm×1 400 mm。

3.2 锚索参数的优化

锚索长度的计算如式（3）所示：

式中，Ls为锚索的总长度；La为直接顶的厚度，取4.3m；Lb为锚索自由段的长度，取3.2 m；Lc为锚索外露的长度，取0.3 m。经计算得：锚索的总长度为7.8 m。

由于锚杆的间距为1 400 mm，故选择锚索的间距同样为1 400 mm，结合支护经验选择锚索与锚索之间的间距为1 600 mm。

综上所述，针对运输顺槽所存在的问题，对其锚杆和锚索参数优化后的结果如表3 所示。

表3 运输顺槽支护参数优化前后对比 mm

优化后，运输顺槽的支护效果如表4 所示。

表4 原支护方案下运输顺槽的支护效果

4 结语

巷道的支护效果和质量直接决定综采工作面生产的安全性和生产效率，针对某煤矿运输顺槽顶板、巷帮变形量大的问题对支护参数进行优化设计，其中分别对顶板和巷帮的锚杆、锚索支护参数进行优化。实践表明，支护参数优化后顶板的下沉量和巷帮的收敛量得到明显改善。