煤矿巷道快速掘进支护方案优化研究

高子健

（潞安化工集团王庄煤矿， 山西 长治 046000）

0 引言

近几年，由于我国科技不断进步，掘进设备持续发展，掘进速度不断持续提升，很大程度上缩短了工作面进行投产所使用的时间。工作面推进速度加快造成了煤层应力和工作面顶板环境变化，原支护不能使巷道快速掘进的所有需求得到满足，基于此，按照顶底板岩性的改变来优化调整支护参数，以潞安化工集团某矿S1301 工作面为研究背景，经过优化原支护方案，提出适合于该回风巷掘进支护方案。

1 S1301 工作面概况

S1301 工作面位置是在3 号煤层中，且煤层的厚度、煤层厚度的平均值、煤层倾角、局部倾角、煤层埋深、垂直应力分别是3.35～10.25 m、6.32 m、3°～22°、≥15°、606.7～667.2 m、17.1 MPa，其顶底板所具有的岩性较软，表1 为该工作面顶底板岩性。

表1 S1301 工作面顶底板岩性

2 分析目前工作面支护的状况

2.1 分析目前支护参数的状况

该工作面的回风巷的断面是矩形的，其宽和高分别是4 000 mm、3 200 mm，是顺着煤层顶板进行掘进的。

1）用锚索和锚杆联合对巷道顶板进行支护，所使用的锚杆是无纵筋螺旋的、左旋的锚杆，规格是D22 mm×2 000 mm，相邻排之间的距离是1 000 mm、1 500 mm，进行锚固的是树脂药卷，且是两只；所使用的锚索规格是D18.9 mm×7 300 mm，相邻排之间的距离是1 000 mm、1 500 mm[1]。

2）左旋无纵筋螺旋锚杆对巷道两帮进行支护，锚杆的规格是D18 mm×1 800 mm，相邻排之间的距离是1 000 mm、1 500 mm，图1 为回风巷支护布置示意图。

图1 回风巷支护布置示意图（单位：mm）

2.2 分析原支护方案的成效

控制巷道围岩变形发生是原支护方案无法实现的，当进行掘进操作时，常常会有两帮变形、顶板裂纹出现。由于要保证巷道掘进能够很好的实施，需要监测巷道围岩所发生的变形，表2 为S1301 工作面巷道围岩变形量。原支护方案是有限的支护，导致有突出的巷道围岩变形，尤其是巷道两帮，就会影响巷道的掘进，所以，要优化设计其原支护方案。

表2 S1301 工作面巷道围岩变形量

3 优化巷道支护的参数

3.1 优化锚杆参数

经过实测现场，得知回风巷道能够自稳平衡拱的高度是1.9 m，且锚杆支护长度L 要比自稳平衡拱所具有的高度要高。

式中：L1、L2、L3分别代表的是顶锚杆的自由一端的长度、平衡拱的拱高、平衡拱的拱外长度，分别取0.1 m、1.9 m、0.5 m。

将数值代入式（1）得：L=2.5 m。

与此同时，以矿井的真实状况为基础，对锚杆的直径进行选定，所选定的直径是20 mm。按照对锚杆屈服强度进行测量，得知QB=65 kN，在平衡拱中，锚杆所能承受的载荷最大是G=151.98 kN，那么，1 排所具有的锚杆数n 是：

将相关数据代入式（2）得：n=4.67。

所以，就能明确，顶板1 排就有5 根锚杆。因为巷道有4 m 的宽度，所以，锚杆排距是800 mm，按照矿井规格D20 mm×L2 500 mm，就能明确，每排锚杆的间距是1 400 mm。

根据式（1）、式（2）计算结果，对锚杆的参数与间排距进行确定，分别是D20 mm×L2 500 mm，800 mm、1 400 mm。

3.2 优化锚索的参数

以式（3）为基础，对锚索长度Ls进行计算：

式中：La、Lb、Lc代表的分别是直接顶的厚度、锚索露在外侧那端的长度与其自由端那侧的长度，取值分别是4.3 m、0.3 m、3.2 m。

将数值代入式（3）得Ls=7.8 m。

4 优化支护模拟分析

由于要明确支护方案进行优化支护的成效，在本文中，对优化之前与之后的原支护的参数的效果进行了模拟与分析。原岩应力要比锚杆支护应力所具有的数量级要大，由于要对支护成效进行保证，在本文中，以零原岩应力为基础，来对支护参数进行模拟，表3就是围岩详细的参数。并且数值模型的长、宽、高分别是50 m、2 m、46.2 m，其分布几乎是水平的。巷道断面被设计成了矩形，高×宽是3.2 m×4.0 m，在固定模型的底边的边界时，要和水平方向垂直，在固定其左右的边界时，要和水平平行。

表3 数值模型岩层材料参数

从原支护方案里，其巷道顶帮的浅部围岩的支护压应力的均值是0.16 MPa，而且支护应力的值随着逐渐深入而增大；其两帮区域中的围岩形成平均大小是0.74 MPa 的支护压应力，并且在两帮所分布的形状是弧状的。以下就是应该注意的，因为有机的支护体形成于两帮与顶板的围岩中，其应力顺着煤层底板逐渐传递到深处，而且压应力由于深度的加深而上升。在优化支护方案之后，其巷道顶帮的浅部围岩所形成的支护压应力的范围要比原支护方案的要高很多，其平均值是0.23 MPa，而且两帮支护的平均应力是0.96 MPa，其支护应力范围具有和原支护方案相同的分布特征，这就表明，在对支护进行优化之后，提高了支护的应力，使巷道围岩更加稳定了[2]。

5 现场试验优化之后的支护参数

在试验时，要验证优化之后的支护方案，就要把该方案使用到回风巷的50 m 区域中20 d 来进行试验并验证。20 d 中对巷道的顶板移近量与两帮的变形量进行监测的所有数据如图2 和图3 所示。

图2 优化支护后回风巷顶底板移近量曲线

图3 优化支护后回风巷两帮移近量曲线

通过对图2 与图3 进行分析发现，在优化支护参数之后，可以很好地控制巷道围岩底板移近量与两帮的变形量，而且，顶板移近量与两帮变形量最大值分别是33.6 mm、11.6 mm，要比原支护方案中顶板移近量与两帮变形量最大值358.6 mm、465.7 mm 小很多，这就表示在对方案进行优化之后，可以很好地控制巷道围岩的变形。

6 结语

在本文中，优化了潞安化工集团某矿S1301 工作面回风巷原支护方案，经过对支护参数进行优化，就可以对巷道围岩变形量进行进一步控制，而且两帮变形量与顶板移近量和原支护方案相比有很大幅度的下降。