运输顺槽支护优化设计的数值模拟及现场工业性试验分析

张正东

（寿阳段王集团友众煤业有限公司，山西 寿阳 045499）

引言

运输顺槽在综采工作面推进即开采扰动的情况下必然会发生变形破坏，通常情况下对运输顺槽的支护设计要求满足开采需要，完成综采工作面的推进任务即可。但当支护设计不能达到生产要求时，运输顺槽的破坏变形量极为严重，会影响到带式输送机正常的煤炭资源运输，以及巷道、综采工作面的通风安全，因此对此类运输顺槽进行优化设计，可极大地提高煤矿企业的安全、高效生产。

1 3109 工作面概况

某矿在开采3109 工作面，煤层平均厚度3.8 m，埋深620 m，煤体容重1.43 t/m3，普氏系数2～3。该煤层地质构造较为复杂，顶底板岩性中等稳定，具体参数见表1。伴随着工作面的正常推进发现该运输顺槽的巷道变形量越来越严重，经过测量发现，最严重的地方巷道仅剩4.6 m 宽，严重威胁到综采工作面的生产开采过程，对运输顺槽进行临时支护设计，通过木垛以及工字钢简单支护后效果并不理想，因此决定对该巷道进行支护优化设计。

表1 煤层顶底板岩性

该3109 工作面回采巷道为矩形巷道，其宽×高尺寸设计为3 200 mm×5 000 mm，支护方式为锚杆锚索支护。优化设计之前巷道顶部6 根锚杆均为垂直布设，间距900 mm，锚杆长度设计为1 200 mm；锚索长度5 800 mm，布设数量2 根，间距1 800 mm。两帮锚杆均为水平布设，间距900 mm，各布设4 根。先根据锚杆锚索的布设情况对其进行优化处理。

2 围岩破坏原因分析

1）根据顶底板岩性进行判断，可以看出3109 工作面岩性普遍松软，普氏系数较低，顶板较为破碎，在开采过程中经常会发生顶板的自然垮落，煤壁片帮情况也较为严重。而且由于煤层地质构造较为复杂，裂隙较为发育，在综采工作面推进过程中若对巷道的支护处理不足，极易发生围岩的变形破坏。

2）从先有支护设计上进行分析，锚杆长度为1.2 m，该长度的支护效果太差，需进行加长处理，同样锚索的长度也应进行改进，根据直接顶6.8 m 厚度为基础设计锚索长度应＞7 m，以达到将顶板与直接顶进行锚固的效果，形成整体结构有助于加强围岩的稳定性。

3）工作面开采扰动的影响，在工作面不断推进过程中，围岩应力也在不断发生着变化，围岩水平应力大于垂直应力的特点使得锚杆极易发生剪切破坏，从而发生断裂，丧失原先的支护能力，而基于这个特点也可以看出巷道的变形破坏主要以水平两帮的挤压破坏最先开始呈现。根据这一特点进行巷道的支护优化检验，可以取得较好的检验效果[1]。

3 支护设计优化方案

3109 工作面区段运输平巷的高度3 200 mm、宽度5 000 mm，进行支护优化处理的顶板布设锚杆6根长度由1.2 m 增加到2 m，其中4 根锚杆垂直布设，2 根锚杆偏离垂直方向10°布设；布设两根锚索，长度7 300 mm，可直接与直接顶岩层进行铰接，使两层岩层锚固为一个整体增大围岩强度，两帮部锚杆各4根，均为水平方向布设，最上端2 根锚杆也作偏离10°的处理，以保证帮角的稳定性，具体见下页图1。

图1 区段平巷支护设计方案示意（单位：mm）

对于顶部锚杆选用Φ20 mm×2 400 mm 的钢锚杆进行支护设计，两帮的锚杆为Φ20 mm×2 000 mm，同时为钢锚杆支护且配置200 mm×200 mm×12 mm厚的钢托板进行加固处理。顶部锚杆的间距为900 mm，其中每根锚杆需要3 套MSK2335 型号的树脂进行锚固。锚网的铺设钢丝直径为6 mm，网格100 mm×100 mm，排扣200 mm。在运输区段平巷的顶部有2 根长7 300 mm 的锚索，2 根锚索间距在1 800 mm，型号为KL18.9-1/1860-7300，其锚固力可达300 kN。

4 优化设计检验

4.1 数值模拟试验

根据上述数据对区段运输平巷进行数值模拟试验，分析巷道在采动及来压影响下的变形情况，将锚杆锚索进行锚固的作用力大小，与巷道围岩应力大小进行对比，分析优化后区段运输平巷的支护效果。可以知道区段运输平巷在采动扰动下它会破坏原有的应力平衡状态，进行原岩应力的重新分布，而围岩对应力的支撑能力不够时，便会导致巷道的变形，呈现出来就是巷道顶底板挤压破坏或顶板垮落现象的发生。根据测算对巷道优化支护下的支护参数进行模拟计算，在距离3109 工作面200 m 长度的区段运输平巷中布设测点16 个，进行数据采集，为数值模拟提供应力数据支撑，在区段运输平巷顶板均匀布设4 个测点；在区段运输平巷的两帮各布设4 个测点，帮角处2 个，中部1 个，底部1 个；底板上布设4 个测点，与顶板测点布设方式相同[2]。通过采集数据情况进行区段运输平巷的数值模拟分析研究，其具体的巷道围岩应力分布见图2。

图2 3109 工作面回采巷道围岩应力分布

从图2 可以看出，区段运输平巷在进行支护优化设计之后，整体围岩巷道应力值都得到了有效的缓解。其中顶板的应力值得到大幅降低，根据锚杆锚索锚固能力进行分析，该应力值远远小于锚杆锚索的支护能力，因此优化支护方案将有效避免顶板垮落事故的发生；水平剪切应力在模拟试验中较大，而且在两帮区域内发生了明显的应力集中现象，因此两帮的变形量将会增强，也就是说在实际工作面推进过程中，区段运输平巷的两帮将继续挤压变形，但根据支护分析两帮锚杆的锚固力设计能力可以满足数值模拟的最大应力值，两帮的移近量保持在可以接受的范围之内，始终不会影响正常的工作面开采生产工作，基本可以保证区段运输平巷两帮的支护安全。

4.2 现场应用分析

在区段运输平巷进行工业性试验分析，观测距离3109 综采工作面长度不同时区段运输平巷的变形量的大小，具体图示见图3。由图3 可以看出，距离工作面越远，区段运输平巷的围岩变形量也就越大，符合围岩分布特征；在距离综采工作面250 m 时区段运输平巷的两帮围岩变形量达到了280 mm，符合数值模拟实验中两帮变形量最大的特征，也在巷道变形量接受范围之内，顶底板的变形量较小，在距离3109 综采工作面250 m 长度时变形量保持在100 mm 以内，也符合数值模拟试验中顶底板由于支护优化其围岩应力较小的特征；顶底板移近量曲线以及两帮移近量曲线的变化率也呈现下降的趋势，表明随着工作面的不断推进，区段运输平巷的围岩应力影响将受综采工作面采动的影响越来越小，这极大地增强了区段运输平巷的巷道围岩稳定性。根据现场工业性试验可以看出，支护优化设计后整体区段运输平巷巷道的变形量保持在300 mm 范围之内，在实际生产过程中这一数值基本不会影响到综采工作面的正常生产过程，区段运输平巷可以保证在整个工作面的推进过程中发挥它的基本作用[3]。因此，通过区段运输平巷支护优化后的现场工业性试验可以看出，这次优化设计的支护效果十分可观，基本满足了设计要求，实现了对区段运输平巷围岩变形的控制。

图3 3109 工作面围岩变形量结果示意图

5 结语

通过对3109 综采工作面推进过程中开采扰动对运输顺槽造成的破坏原因进行分析研究，对运输顺槽进行了巷道支护优化设计。根据现场工业性实验可以看出，锚杆锚索参数以及支护方式的改进，对巷道支护强度的改善有着极大的影响。优化过后的运输顺槽围岩变形情况较小，基本可以确保在后续综采工作面推进过程中的正常使用，这为煤矿企业节省了支护成本，也为类似巷道的支护优化提供了参考借鉴。