盖州煤业9103 回风巷支护方案优化

路 遥

（山西煤炭运销集团盖州煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 概况

盖州矿9#煤层结构简单，煤厚平均1.62 m，倾角为0～7°，地面标高为+992～ +1080 m，井下标高为+890～ +960 m，煤层顶板为细砂岩、灰岩等，底板为砂质泥岩和灰岩。9103 回风巷沿9#煤底板掘进，埋深平均100 m，断面尺寸为4200 mm×2600 mm，巷道掘进长度为1815 m，巷道断面形状与支护方式如图1。9103 回风巷原采用锚网+锚索+钢筋梯联合支护，支护参数如下：

顶板支护：螺纹钢锚杆规格20 mm×2400 mm，间排距1000 mm×1000 mm，每排5 根，锚固长度1300 mm。锚索规格为17.8 mm×6300 mm，间排距为2000 mm×3000 mm，每排2 根，锚固长度为1755 mm。

巷帮支护： 18 mm×2200 mm 的螺纹钢锚杆，间排距1000 mm×1000 mm，每排3 根锚杆，锚固长度为600 mm。

图1 原9103 回风巷支护示意图（单位：mm）

对于巷道支护而言，最重要的就是支护参数的确定[1]。若支护强度过低则无法保证巷道的安全；支护强度过高则增加支护耗时及支护成本，不利于矿井的高效生产[2-5]。合理的支护参数在确保围岩稳定前提下可降低巷道支护成本[6]。通过现场勘查发现9103 回风巷原支护存在以下可以进一步优化的环节：支护强度过高，支护耗时长，制约巷道掘进效率；支护系统整体性较差；回采巷道锚杆、锚索的安装位置与布置方式需要进一步优化。

2 回采巷道支护方式与支护参数优化分析

2.1 支护方案设计

9#煤层厚度小、埋深浅，围岩条件较好，结合9103 回风巷工程地质条件，提出五种支护方案[7]，支护材料与巷道原支护方案一致，支护参数分别为：

方案1：顶锚杆间排距1000 mm×1000 mm，布置形式5-5-5；顶锚索间排距2000 mm×3000 mm，布置形式为2-2-2，即布置方式与巷道原支护方式一致。

方案2：顶锚杆间排距1000 mm×1000 mm，布置形式5-3-5；顶锚索间排距2000 mm×3000 mm，布置形式为2-2-2。

方案3：顶锚杆间排距1000 mm×1000 mm，布置形式5-4-5；顶锚索间排距2000 mm×2000 mm，布置形式为2-1-2。

2）给排水控制系统构建与应用过程中，若能重视PLC使用，则有利于提升该系统的智能化控制水平，还可以避免给排水管线布置出现过于复杂的现象；

方案4：顶锚杆间排距1000 mm×1000 mm，布置形式4-4-4；顶锚索间排距2400 mm×2200 mm，布置形式为2-1-2。

方案5：顶锚杆间排距1000 mm×1000 mm，布置形式为5-4-5；顶锚索布置在巷道中部，排距2000 mm，布置形式为1-1-1。

2.2 支护方案优选分析

采用数值模拟法对不同支护方案时巷道围岩竖向应力、顶底板变形量以及两帮变形量进行监测，并根据监测结果优选出最佳巷道支护方案。

2.2.1 巷道竖向应力

表1 巷道竖直方向最大应力

图2 围岩竖直最大应力变化曲线

从表1 及图2 可以看出：

（1）巷道支护采用1～3 支护方案时，竖向最大应力逐渐降低，方案3 较方案1 时降低0.1 MPa。

（2）采用方案4 时围岩内竖向应力较方案3 有所增加，增长幅度为0.24 MPa；采用方案5 时围岩内竖向应力又开始降低，较方案4 降低0.06 MPa。

2.2.2 巷道顶底板移近量

表2 巷道顶底板移近量

图3 顶底板移近量变化曲线

从表2 及图3 可看出：

（1）巷道支护由方案1 变化到方案3 时，顶底板位移量呈逐渐降低趋势，变化幅度不明显。

（2）方案4 相较方案3 巷道顶底板移近量增加1.4 cm，变化相对明显。

（3）方案5 相较方案4 巷道顶底板移近量降低0.3 cm，降低幅度较小。

（4）采用方案3 支护时顶底板移近量最小，为16.8 cm；当巷道支护采用方案4 时，其顶底板移近量最大，为18.2 cm，两者之间相差1.4 cm。不同的支护方案下巷道顶底板位移量均在稳定范围内。

2.2.3 巷道两帮移近量

表3 为不同支护方案巷道两帮移近量，图4 为巷道两帮移近量变化曲线。从表3 及图4 可看出：

（1）巷道支护采用1～3 支护方案时，巷道两帮移近量呈降低趋势，减小幅度相对较小，方案3较方案1 时巷帮位移量减小了0.8 cm。

（2）方案4 相较方案3 巷道两帮移近量增加了1.5 cm，增加幅度较大。

（3）当巷道支护由方案4 变化到方案5 时，巷道两帮移近量减小了0.3 cm，减少幅度较小。

由此可得，当巷道处于支承压力峰值时，巷道支护采用方案3，两帮移近量最小，为15.8 cm；当巷道支护采用方案4 时，其两帮移近量最大，为17.3 cm，两者之间相差1.5 cm。由此可得，不同支护方案对巷道的两帮移近量影响较小，即使巷道支护采用方案4，巷道的两帮移近量仍处于一个合理的范围。

表3 不同支护方案巷道两帮移近量

图4 两帮移近量变化曲线

2.3 支护方案确定

通过上述分析得知巷道支护采用方案3 时，巷道竖直方向最大应力、巷道顶底板移近量以及两帮移近量最小，分别为9.44 MPa、16.8 cm、15.7 cm；而采用方案4 时上述参数则最大，分别为9.68 MPa、18.2 cm、17.3 cm，最大与最小分别相差0.24 MPa、1.4 cm、1.6 cm。由此可得，不同的支护方案对9103 回风巷的支护效果影响较小，即使9103 回风巷支护采用方案4，仍然能够保证巷道在工作面回采期间的安全稳定。最终选用方案4 作为巷道支护方案，具体方案4 设计断面如图5。

图5 方案4 巷道支护示意图（单位：mm）

3 工业试验分析

将优选得到的巷道支护方案进行现场工业试验，即将巷道顶板锚杆布置形式由5-5-5 改成4-4-4，顶板锚索布置形式由2-2-2 改为2-1-2，其余支护参数保持不变，巷道围岩支护较原支护每天减少2 h支护时间。现场应用后，顶板岩层在掘进支护完成后下沉量仅为20 mm，处于安全范围内。

9103 回风巷长1815 m，采用优化支护方案可减少1815 套锚杆、605 套锚索使用量。锚杆节省50 元/套×3465 套=173 250 元，锚索节省140 元/套×605 套=84 700 元，共节约257 950 元。

4 结 语

（1）9103 回风巷埋深浅，巷道围岩条件良好，巷道原采用的支护方案支护强度过高，会增加支护成本且制约掘进效率。根据巷道围岩岩性参数，采用数值模拟手段对回风巷支护方案进行优化，通过分析巷道围岩应力、变形、塑性区分布等得到巷道顶板锚杆采用4-4-4 布置形式、锚索采用2-1-2 形式可确保巷道支护满足安全生产需要。

（2）现场工业应用试验也表明，采用优化后的支护方案支护完成30 d 后巷道顶板下沉量仅为20 mm，顶板岩层稳定；同时，9103 回风巷采用优化后的支护方案较原方案减少支护投入257 950元。