巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化

武潔超

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

煤炭安全生產(chǎn)一直是煤炭行業(yè)備受關(guān)注的問題。在實際生產(chǎn)中，隨著工作面巷道開采對所在位置圍巖的力學(xué)特性造成了一定程度的破壞，導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生變形。為了避免由于圍巖變形造成事故的發(fā)生，需要對巷道圍巖進(jìn)行有效的支護(hù)[1]。在眾多的巷道支護(hù)方法中，錨桿支護(hù)的支護(hù)效果最佳。因此，錨桿支護(hù)目前被廣泛應(yīng)用于綜采工作面巷道的支護(hù)設(shè)計中。

在實際生產(chǎn)中，對于巷道支護(hù)并未完全結(jié)合工作面地質(zhì)、水文以及煤層特征進(jìn)行針對性的設(shè)計，巷道支護(hù)強(qiáng)度過高，造成了支護(hù)材料浪費的同時，在一定程度上制約了巷道的掘進(jìn)效率。因此，應(yīng)根據(jù)巷道工作面的地質(zhì)、水文以及煤層等特征采用理論計算+仿真分析相結(jié)合的手段對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程背景

1.1 工作面概述

本文以西銘礦南六瓦斯管道聯(lián)絡(luò)巷為研究對象，在充分分析工作面地質(zhì)、水文以及煤層特點的基礎(chǔ)上，對錨桿以及錨索等支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1）地質(zhì)構(gòu)造：工作面所掘煤巖層總體為一單斜構(gòu)造，走向北西，傾向北東。據(jù)相鄰8號煤層揭露資料分析，工作面掘進(jìn)期間揭露地質(zhì)構(gòu)造的可能性較小[2]。

2）水文地質(zhì)：工作面所遇太原組石灰?guī)r含水層均為弱含水層，含水性差，但局部富含裂隙水,施工中遇地質(zhì)構(gòu)造或頂板破碎帶時局部會有淋水出現(xiàn)。預(yù)計正常涌水量0～5 m3/h，最大涌水量10 m3/h。

3）巖層情況：巷道所掘8號煤層全厚6.0 m左右，上部為厚2.20 m左右頁巖夾石及厚0.52～0.60 m的8號上煤，8號下煤層厚3.16 m左右，裂隙發(fā)育[3]。

4）巷道頂?shù)装迩闆r：工作面巷道沿8號煤層掘進(jìn)及穿層施工中，由下而上將依次揭露：0.1～0.5 m厚黑色頁巖（8號煤偽頂），破碎易冒落；廟溝灰?guī)r，厚3.16 m左右；5.92 m厚黑色鈣質(zhì)泥巖，裂隙發(fā)育，較破碎；毛兒溝灰?guī)r，厚7.0 m左右。

1.2 原支護(hù)方案分析

南六瓦斯管道聯(lián)絡(luò)巷工作面所原巷道支尺寸及支護(hù)示意圖如圖1所示。

圖1 巷道原支護(hù)方案（單位：mm）

如圖1所示,巷道頂板采用錨桿+錨索+鋼筋托梁+金屬網(wǎng)的支護(hù)方式。其中，所采用錨桿的直徑為18 mm，長度為2 300 mm；錨桿的間距為800 mm；每排錨桿的距離為1 000 mm；每排含6根錨桿。所采用錨索的直徑為15.24 mm，長度為4 500 mm；錨索與錨索之間的間距為1 600 mm；每排錨索的間距為3 700 mm。

巷道兩幫采用錨桿+金屬網(wǎng)的支護(hù)方式。其中，所采用錨桿的直徑為18 mm，長度為1 800 mm；錨桿的間距為800 mm；每排錨桿的距離為1 000 mm。

1.3 原巷道支護(hù)問題分析

通過對工作面巷道的礦壓進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：對于軌道順槽而言，僅有12號點圍巖的位移量大于20 mm，其余位置圍巖的位移量均小于15 mm；對于皮帶順槽而言，僅有8號點圍巖的位移量大于15 mm，其余位置處的圍巖位移甚至為0[4]。也就說，巷道圍巖90%監(jiān)測點處的頂板下沉量很小，即原支護(hù)方案對巷道實際為過防護(hù)，造成了支護(hù)材料的浪費，制約了巷道的掘進(jìn)效率。

綜上所述，需對南六瓦斯管道聯(lián)絡(luò)巷工作面原巷道支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)。

2 巷道支護(hù)的改進(jìn)設(shè)計

巷道支護(hù)參數(shù)的改進(jìn)設(shè)計主要是根據(jù)工作面地質(zhì)、水文以及煤層特征對錨桿間距、錨桿排距、每排錨桿數(shù)量、錨桿直徑、錨桿長度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 錨桿參數(shù)的優(yōu)化

2.1.1 錨桿間排距的計算

錨桿間排距的計算如公式（1）所示：

式中：a代表錨桿間排距；Q代表錨桿的設(shè)計錨固力；K代表安全系數(shù)；H代表普氏免壓拱高；γ代表工作面不穩(wěn)定巖層平均重力密度。

通過對工作面地質(zhì)、水文、以及煤層等特征研究，取Q=85 kN、H=0.5 m、γ=26 kN/m3、K=2。將上述參數(shù)代入式（1）中計算得a=1.81 m。

2.1.2 錨桿錨固力的核算

經(jīng)（1）計算可得，當(dāng)錨桿間排距小于1.81 m時即可滿足支護(hù)要求。因此，還需具體確定錨桿的間距和排距，并對不同間距、排距錨桿支護(hù)下的錨固力與錨桿的設(shè)計錨固力進(jìn)行對比。實際載荷的計算公式如式（2）所示：

式中：P代表錨桿的實際承載力；K為安全系數(shù)，取K=2；L為不穩(wěn)定巖層的厚度，經(jīng)調(diào)研取L=1.05 m；a1為錨桿與錨桿之間的間距，m；a2為每排錨桿之間的距離，m。

取a1×a2分別為 0.8×0.8、0.8×1.0、1.0×1.0、1.0 ×1.1、1.0 ×1.2、1.1 ×1.1、1.1 ×1.2、1.2 ×1.2、1.2×1.3、1.3×1.3[5]。經(jīng)計算可知，當(dāng)錨桿間排距小于1.2 m時其錨桿的實際承載力小于設(shè)計錨固力。

2.2 錨索參數(shù)的優(yōu)化

針對錨索參數(shù)的改進(jìn)所指的是每排錨索之間的距離，計算如公式（3）所示：

式中：a'代表錨索的排距；n代表錨索的排數(shù)；F代表錨索的最大承載力；B代表巷道的最大冒落寬度；h代表巷道的最大冒落高度。

基于2.1對錨桿參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，并結(jié)合工作面巷道圍巖的實際情況，上述參數(shù)的取值如下：B=4.2 m；h=2.3 m；γ=26 kN/m3；F=260 kN；θ=85° ；n=1或 2；a2=0.8、1.0、1.1、1.2。將上述參數(shù)代入式（3）得出如表1所示的結(jié)果。

表1 錨索排距的計算 m

2.3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

巷道頂板采用錨桿+錨索+鋼筋托梁+金屬網(wǎng)的支護(hù)方式。其中，所采用錨桿的直徑為18 mm，長度為2 300 mm；錨桿的間距為小于1 200 mm即可滿足支護(hù)要求。所采用錨索的直徑為15.24 mm，長度為4 500 mm；當(dāng)采用單排錨索時，錨索間排距小于2 400 mm即可滿足支護(hù)要求；當(dāng)采用雙排錨索時，錨索間排距小于4 800 m即可滿足支護(hù)要求。

巷道兩幫采用錨桿+金屬網(wǎng)的支護(hù)方式。其中，所采用錨桿的直徑為18 mm，長度為1 800 mm；錨桿的間距小于1 200 mm即可滿足支護(hù)要求。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化前后對比如表2所示。

表2 優(yōu)化前后支護(hù)參數(shù)對比 mm

如表2所示，優(yōu)化后頂板和兩幫支護(hù)中的錨桿及錨索間排距均增大，即說明節(jié)約了錨桿及錨索的數(shù)量，大梁解決了支護(hù)材料，為降低煤礦生產(chǎn)成本奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

錨桿支護(hù)作為綜采工作面巷道支護(hù)效果最佳的支護(hù)方式，在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)結(jié)合工作面地質(zhì)、水文以及煤層特征對錨桿支護(hù)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算。根據(jù)計算結(jié)果，綜合考慮整體支護(hù)效果和支護(hù)成本，得出工作面的具體巷道支護(hù)設(shè)計方案。