巷道支护方案的优化及效果评估

刘默儒

（山西西山矿业管理有限公司西坡分公司，山西 太原 030053）

引言

一直以来，综采工作面巷道的支护质量直接决定工作面的生产效率和安全性。近年来，我国煤炭开采面临着开采深度加深、地质条件更加复杂以及安全要求高的挑战，而且随着开采的进行工作面煤层、岩层等条件处于动态变化状态[1]。因此，为了煤矿综采工作面的高效、安全生产，适应煤炭行业更高挑战的发展需求，需根据生产的进行对巷道支护方案进行优化。

1 1203工作面工程概况

本文所研究矿井为斜井，其中主、副斜井的倾角为25°，主、副斜井的井筒长度均为724 m，着重对其2号煤层所属的1203工作面（见表1）进行研究。2号煤层的厚度为1.55~3.4 m，平均煤层厚度为2.19 m，煤层的普氏硬度为3。

表1 1203工作面顶底板情况

经探测，1203工作面瓦斯的相对涌出量为1.02 m3/t，绝对涌出量为2.28 m3/min，而且该矿井属于低瓦斯矿井。经对当前支护方案下1203工作面巷道的围岩应力测定可知，巷道内水平应力是垂直应力的2倍左右，且水平应力为东西方向。结合当前巷道现场情况，可断定水平应力是导致巷道岩层被破坏的主要原因。

目前，1203工作面巷道的支护方案为简单的锚杆支护，其对应的巷道问题如下：巷道岩层、煤层被严重风化；巷道顶板出现严重的失稳现象[2]。

为保证1203工作面巷道的安全、高效生产采用注浆锚索、高预紧力锚杆锚索以及两帮锚索的新型支护方案。

2 巷道支护方案的优化及数值模拟

2.1 锚杆支护参数的确定

顶板锚杆支护：选用左旋螺纹钢高强锚杆，该锚杆的直径为20 mm，长度为2 000 mm，锚杆间距为9 500 mm，锚杆排间距为9 500 mm，并采用加长树脂对其进行锚固。在锚杆支护的基础上为顶板配钢筋网进行辅助支护，每片钢筋网的长度为2 200 mm，宽度为1 300 mm，要求相邻两片钢筋网的搭接宽度不得小于100 mm。此外，要求锚杆预紧力不得小于200 N·m。

顶板锚索支护：选用直径为17.8 mm，长度为6.3 m的注浆锚索，要求锚索的间距为2 200 mm，锚索排的间距为2 400 mm，每排锚索的数量为2根，每根锚索采用3支树脂锚固剂进行锚固。此外，要求锚索的预紧力不得小于150 kN。

两帮锚杆支护：选用左旋螺纹钢高强锚杆，该锚杆的直径为20 mm，长度为2 000 mm，每根锚杆采用一支数值锚固剂进行锚固。在锚杆支护的基础上为两帮配钢筋网进行辅助支护，每片钢筋网的长度为2 200 mm，宽度为1 300 mm，要求相邻两片钢筋网的搭接宽度不得小于100 mm。此外，要求锚杆预紧力不得小于150 N·m。

1203工作面优化支护后如下页图1所示。

图1 1203工作面顶板及两帮支护示意图（单位：mm）

2.2 新旧支护方案的理论对比

为验证新支护方案的效果及成本，本小节将采用数值模拟手段分别对巷道在新旧支护方案下巷道变形和锚杆受力情况进行对比[3]。根据1203工作面巷道的地质、煤层条件建立宽度为40 m，高度为30 m的巷道，并结合岩层力学参数在模型中的设置，得出新旧支护方案下巷道的变形对比如表2所示。

表2 1203巷道新旧支护方案下巷道变形的模拟对比mm

如表2所示，1203工作面巷道采用优化支护方案后巷道两帮、顶板以及底板的变形量明显减小；而且，采用优化支护方案后巷道上下两帮的变形量几乎一致，说明巷道两帮的整体性较好。此外，对新旧支护方案下锚杆、锚索的受力对比可知：在旧支护方案下其锚杆的受力已经达到其屈服强度；而在新支护方案下，锚杆、锚索的最大受力均未达到其对应的屈服强度。

3 巷道支护方案优化的效果评估

本节将上述设计的新的支护方案应用于现场试验中，取试验巷道的长度为100 mm。在实际施工过程中发现，由于煤层的倾角为15°，导致现场对锚索进行施工时存在一定的困难，故将新支护方案中锚索的角度更改为25°。而且，为了解决1203工作面巷道风化严重的问题，在锚杆、注浆锚索支护的基础上在巷道表面喷射柔性混凝土，要求混凝土应均匀喷射，最好将其厚度控制在75 mm左右[4]。

待1203工作面100 m试验巷道支护施工结束后，采用GEL多点位移计对巷道变形量进行测试，在试验巷道内设计两个监测站，每个监测站安装两个位移计，分别对顶板和两帮的位移量进行测试，对比测试数据得出如下结论：

对原支护方案下采用GEL位移计测量顶板和两帮的总变形量均分别超过100 mm（GEL位移计的量程为100 mm），说明在原支护方案下巷道顶板和两帮的总变形大于100 mm；而在新支护方案下顶板的变形量为30 mm，两帮的变形量为50 mm。

新旧支护方案下对应巷道的实际支护效果对比如图2所示，新支护方案下巷道的支护效果明显优于旧支护方案。

图2 新旧支护方案下巷道效果对比

综上所述，新支护方案明显可对巷道围岩进行更好的控制，提升巷道的稳定性，为后续安全、高效生产奠定基础。