综放工作面顺槽巷道支护优化及应用分析

牛毅然

（晋能控股装备制造集团赵庄二号井，山西 长治 046000）

1 工程背景

晋能装备制造集团某煤矿3 号煤层，该煤矿的煤层厚度为480～530 m，煤层的平均厚度为4.26 m。煤层顶部以灰泥岩、砂质泥岩、粉砂、少量砂岩为主。井田以黑色泥岩、砂质泥岩和灰砂岩为主，构造复杂度适中。原来的顺槽巷道支护方案并没有按照采动量的大小来划分，只采取相同的支护方案，这在一定意义上并没有达到科学性和合理性。

图1 是顺槽巷道支护的原始综放工作面的设计图。顶板支护采用左旋无肋螺纹钢锚杆的型号为MSGLW-500/22×2400，其排距1.2 m，锚杆间隔1.05 m，每排布置5 个锚杆，锚固力在150 kN 以上；锚索选用1×19 股高强度、低松弛预应力钢丝绳，型号为SKP22-1/1720-6400，要求预应力在300 kN 以上，每列2 个，间距2.4 m。巷道支护选用MSGLW-500/22×2400 型的左旋无肋螺旋钢筋锚杆，其排列间隔1.2 m，每列4 个，前面3 个锚杆间隔0.9 m，第3 个和第4 个锚固间隔0.8 m，锚固力在150 kN 以上。在未回采侧巷帮中部增加帮锚绳，选用1×19 股高强度低松弛预应力钢丝绳SKP22-1/1720-5400 型钢绞线，预应力在250 kN 以上，每列1 条，间距2.4 m。

图1 顺槽巷道原支护设计图（单位：mm）

2 巷道支护优化方案

根据目前的支护条件、井压观测数据、工作面地质数据、现场地质数据、现场地质参数等数据，结合实际施工经验，进行合理的支撑设计，同时通过实践不断地检验参数的合理性，并持续对参数进行调整[1]。

2.1 煤样力学性质

本文以2305 运料横川、2305 联络巷的煤样为对象进行了分析。采用湿法处理3#煤样品，将其制成直径50 mm、高100 mm 的标准品，放在通风良好的地方，自然干燥一星期。在进行测试时，围压最大不得超过20 MPa。在测试时，分别测试在不同围压下煤样的力学参数：围压分别为0、5、10、15、20MPa。3#煤的围压比和其他的力学指标见表1，煤样弹性模量与围压关系如图2 所示。

表1 煤样力学参数

图2 煤样弹性模量与围压关系曲线

从表1 和图2 的不同围压力条件下的试验数据可知，当围压力增加时，峰值强度和弹性模量同样保持着增长的趋势。由于煤层的构造比较疏松，并且节理发育的情况比较好，在煤层的内部具有较大的孔隙，导致煤层刚度较差。

表2 为3#煤样品的拉伸试验结果，其拉伸强度为0.57 MPa。

在围压的取值分别为0、5、10、15、20 MPa 的情况下，对试样的最大主应力进行计算，并根据计算结果绘制σ1与σ3的关系曲线，图3 表明了两者之间的回归关系。通过最小二乘法对两个计算结果之间的相关性进行分析：σ1=4.082σ3+13.68，残差平方R2=0.984 6，分析的结果表明围压和弹性模量之间线性相关[2]。可计算得到3#煤层煤样黏聚力为339 MPa、内摩擦角为37.3°。

图3 煤样σ1～σ3 关系回归曲线

2.2 巷帮支护参数计算

支护巷帮支撑能力的计算方法见式（1）：

为了保持巷帮的稳定性，必须使巷道上的支撑强度达到要求。

P≥δmax，可得出锚杆的间距计算公式为式（2）：

式（1）、式（2）中：Q 为预设帮锚杆应力，150 kN；a1为同一行邻近锚固件的排列间距，m；b1为邻近两行锚固件之间的距离，1.2 m；r 为煤的容重，取13.9 kN/m3；d 为巷道宽度的1/2，取2.4 m；H 为巷道的高，3.3 m；γ为表示内摩擦角，37.3°；f 为普式系数，0.6～1.7；k1为锚杆安全系数，一般取1～3。

在此基础上，通过选取不同的f 值，进行锚杆间距的计算，并对其进行了分析。研究发现，煤岩体强度越高，对巷道的支护能力的要求也就越小。在f 最小为0.6 的条件下，得到的锚距为1.219 m。

2.3 优化参数选择

根据以上的研究成果，并与西盘区2303、2301、2309、2307 等综合开采顺槽巷的矿压监测数据相比较，得出了在单一或非开采条件下，顺槽巷的支护结构可在原有的支护方案中进行相关参数的优化，实现更优的支护效果。

表3 为顺槽巷道锚杆间距计算结果表，通过对顺槽巷道的支护参数的优化，得到了最佳的结果。优化方案包括：从原来的4 个锚杆降到了3 个，将锚杆间隔由0.9 m 改为1.15 m，将锚杆与顶板之间的距离由0.3 m 改为0.35 m，底部锚杆与底板的高度为0.65 m，与W 钢支架支护巷帮配合。钢带长度由1.9 m 增加到2.4 m，其他参数没有做任何的变化。顶板支护的各项指标未发生变化。顺槽巷道优化后支护设计图如图4所示。

表3 顺槽巷道锚杆间距计算结果表

图4 顺槽巷道优化后支护设计图（单位：mm）

3 现场工程应用

为了检验顺槽巷道支护方案的应用效果，2312综放区采用了一条200 m 的进风顺槽，对其进行了现场测试。根据顺槽巷的最佳支护条件，在该地段及原有的预应力区间内，建立综合测站、顶板离层计等，对区域内的移近量进行全程测量[3]，结果如图5、图6 所示，从而验证优化后的效果。

图5 原支护段与优化段测站两帮移近量

由图5 和图6 可知，在2312 综放工作面的回采中，对原区和优化段测点的围岩变形进行了分析。通过对比，优化后的支护参数曲线与原始段巷道的围岩变形基本一致，没有出现巷帮失稳现象，保证了工程的安全性，在2311、2325 等大型综放工作面进行了大面积应用，取得了较好的效果。

对比优化前与优化后的支护方案，每列支护需要的锚杆较优化前降低了2 根，1 个掘进队每天可完成9 列的108 m 的进尺，每天可节约18 根施工锚杆，支护施工时间降低1.2 h。既有效提升了工作效率，同时也降低了物料成本，单根锚杆的支护成本为锚杆58元、锚定剂8.8 元，1 个掘进队每天节约的物料成本为1 113 元。

4 结语

1）对力学试验结果进行分析可以得知，3#的峰值强度和弹性模量与围压成正相关，其中煤样的自聚力为339 MPa，内磨角为37.30°，抗拉强度为0.57 MPa。

2）当巷道受到采动的影响不明显时，对支护参数进行优化具有较好的效果，锚杆的布置间距从0.9 m调整为1.15 m。则在完成相同作业量的前提下，每天可节约1.2 h，每米掘进距离可降低1 113 元的材料支出，降低了矿山的生产费用，并能有效地提升工作效率。

3）经现场测量比较，结果表明：在采动作用时支护优化段与原支护设计段巷道围岩的变形基本一致，没有发生巷道失稳，经工程实际验证，取得了较好的效果。