煤礦支護方式優化研究與實踐

田志敏， 王曉龍

（同煤集團馬脊梁礦， 山西 大同 037002）

隨著開采深度的延伸，地質情況與生產條件逐漸復雜，但是多數煤礦的巷道錨桿支護設計仍然使用不夠先進的工程類比法，造成設計思路保守，支護強度大于支護需求，既降低了掘進支護的效率，又增加了企業成本。

為了解決這一問題，本文對巷道支護進行研究、對原有支護方式進行優化，力爭在滿足支護要求的同時盡量降低成本。

1 工作面概況

1.1 工作面概況

同煤集團某礦8220 工作面2220 巷為研究對象，該工作面開采石炭系煤層，煤層埋深平均500 m。2220 巷全長1 614.5 m，采用矩形斷面，寬5.4 m，高3.6 m。巷道采用錨桿+錨索+W 型鋼帶+金屬網聯合支護（如圖1 所示），具體參數如下。

頂板支護：支護方式為錨索網聯合支護，7 根排間距為900 mm×900 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，參數為Φ20 mm×2400 mm，最外側錨桿與巷道兩幫相距300 mm，并與兩幫成10°傾角；頂板鋪設菱形金屬網，配合鋼帶和碟形墊；5 根高預應力錨索，參數為Φ21.8 mm×8 000 mm，間距2 700 mm，其中中間三根錨索排距1600mm，垂直布置；最外側兩角錨索位于巷道頂角處，距相鄰錨索1 100 mm，垂直向外傾斜20°布置，配套250 mm×250 mm×16 mm 鋼托板。

8220 工作面側幫（左幫）支護：使用Φ20 mm×2 000mm 玻璃鋼錨桿4 根，間排距900 mm×900 mm，其中最上側錨桿距頂板150 mm，且垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板750 mm，鋪設菱形金屬網，配合鋼帶和碟形墊。

右幫支護：使用Φ18 mm×2 000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿4 根，間排距900 mm×900 mm，其中最上側錨桿距頂板150 mm，且垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板750 mm，鋪設菱形金屬網，配合鋼帶和碟形墊。

底板支護：采用C25 混凝土鋪底，鋪底厚度200 mm。

圖1 2220 回采巷道支護布置圖（mm）

1.2 巷道變形破壞特征

圖2 2220 巷原支護條件下巷道變形破壞特征

如圖2 所示為一組2220 巷原有支護條件局部照片。根據現場實際情況可以看出，巷道頂板和兩幫都已經出現了煤體邊掘邊落的現象，巷道表面部分地方已經明顯可以看出不平整。對頂板產生了切割，一定程度上破壞了頂板完整性，且小段工字鋼護表面積較小，僅能提供較大抗彎剛度與強度，認為其支護效果不如錨索大托板。分析總結2220 巷變形破壞特征如下：

現有支護中，頂板錨索布置過于集中，難以與錨桿協同支護。角錨索端頭護表構件采用小段工字鋼，工字鋼腹板平行巷道頂板布置，導致兩側工字鋼腿

1）2220 巷為頂煤厚度4m 的全煤巷道，巷道頂板和兩幫煤體均比較軟弱，因此，巷道支護成本高、難度大、進度慢，同時在掘進過程中可能受到復雜地質條件和應力變化，使得巷道應力集中，導致圍巖變形。

2）2220 巷煤層屬石炭系，老頂是堅硬的砂礫巖，支撐壓力峰值相對較大，同時由于受綜放工藝影響，工作面揭露空間大，使得頂板活動空間增加，應力影響范圍增加，導致基本頂懸臂梁結構的彎矩加大，增大裂隙帶高度、增大上覆巖層冒落高度。而且隨著巷道掘進、工作面回采的不斷推進，受力狀態還在發生變化，給支護工作帶來了更大的困難。

3）服務期間巷道穩定性要求高

為了保證回采工作的順利進行，對巷道的可靠性、穩定性有較高的要求，因此支護質量必須得到保障。2220 回采巷道的維護從工程的角度來說，對巷道的要求較高，由于巷道斷面較大，且應保證整個回采過程中的巷道穩定性，所以在正常生產要求的前提下，不允許巷道有大的表面位移。

2 2220 巷優化支護方案

2.1 方案一

頂板錨索數量減少為3 根，間距不變，長度減小為7.0 m，每幫增加一根錨桿，減小兩幫錨桿支護排距為0.75 m，如圖3 所示。

頂板支護：將原支護方案中錨桿間排距改為900 mm×800 mm，碟形墊尺寸選擇增大，錨索長度改為7 000 mm 高預應力錨索3 根，間距2 700 mm，排距1 600 mm，垂直布置，配套300 mm×300 mm×16 mm 鋼托板。

圖3 2220 巷優化支護方案一

兩幫支護：將原支護方案中玻璃鋼錨桿間排距改為900 mm×750 mm，最下側錨桿距底板改為450 mm，垂直向下傾斜10°，掛塑料網并配套相應托板。右幫（非工作側幫）將原支護方案中錨桿改為5 根，間排距900×750 mm，最下側錨桿距底板距離改為450 mm，垂直向下傾斜10°，鋪設Φ4 mm×100 mm×100 mm 菱形金屬網，采用450 mm×220 mm×4 mm W 型鋼護板壓網，配套相應鋼托板。

底板支護：采用C25 混凝土鋪底，鋪底厚度200 mm。

2.2 方案二

優化頂板錨索布置方式為每排兩根，間距3.2 m，長度減小為7.0 m，加長兩幫錨桿支護為2.4 m，如下頁圖4 所示。

頂板支護：將原支護方案中錨桿間排距改為900 mm×800 mm，碟形墊尺寸選擇增大，錨索長度改為7 000 mm，數量2 根。

兩幫支護：工作面側幫每排采用Φ20mm×2400mm玻璃鋼錨桿4 根，間排距900 mm×900 mm，其中最上側錨桿距頂板150 mm，垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板750 mm，垂直向下傾斜10°，掛塑料網并配套相應托板。非工作側幫每排采用Φ18 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿4 根，間排距900 mm×900 mm，其中最上側錨桿距頂板150 mm，且垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板750 mm，垂直向下傾斜10°，鋪設Φ4 mm×100 mm×100 mm 菱形金屬網，采用450 mm×220 mm×4 mmW 型鋼護板壓網，配套相應鋼托板。

底板支護：采用C25 混凝土鋪底，鋪底厚度200 mm。

圖4 2220 巷優化支護方案二（mm）

2.3 方案三

優化頂板錨索布置方式為每排兩根，間距3.2 m，頂板錨索長度減小為7.0 m，每幫增加一根錨桿，減小兩幫錨桿支護排距為0.75 m，見圖5：

頂板支護：將原支護方案中錨桿間排距改為900 mm×800 mm，碟形墊尺寸選擇增大，錨索長度改為7 000 mm，數量2 根。

兩幫支護：工作面側幫每排采用Φ20×2 000 mm玻璃鋼錨桿5 根，間排距900 mm×750 mm，其中最上側錨桿距頂板150 mm，垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板450 mm，垂直向下傾斜10°，掛塑料網并配套相應托板。非工作側幫每排采用Φ18 mm×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿5 根，間排距900mm×750 mm，其中最上側錨桿距頂板150 mm，且垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板450 mm，垂直向下傾斜10°，鋪設Φ4 mm×100 mm×100 mm 菱形金屬網，采用450 mm×220 mm×4 mmW 型鋼護板壓網，配套相應鋼托板。

圖5 2220 巷優化支護方案三

底板支護：采用C25混凝土鋪底，鋪底厚度200mm。

3 2220 巷優化支護效果

通過FLAC3D 進行數值模擬，通過數值計算結果的比較，經比較發現方案三優化效果最好。圍巖變形對比參數如表1 所示。下頁為表2 為支護變更前后每米巷道支護材料費用表。

表1 兩種支護方案巷道圍巖變形量對比 mm

從表1 和表2 中數據可以看出，采用優化后的支護方案能夠有效降低頂板下沉量、底板鼓起量、兩幫位移量，改善巷道表面收斂。有效提高了巷道圍巖的穩定性。同時，從優化后的支護方案參數可以看出，錨桿錨索的消耗數量減少，節約了成本，縮短了支護所需要的時間。綜上所述，采用優化方案，可以在保證安全的前提下，縮短工期、加快巷道掘進速度、降低勞動強度、節約支護成本，實現支護工藝的最優化。

表2 支護變更前后每米巷道支護材料費用表