基于加權平均評價法的巷道支護設計研究

林繼凱

(山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100)

1 基于加權平均評價法的煤巷圍巖支護設計方法

1.1 加權平均評價法數學模型

加權平均評價法是綜合考慮所有指標信息，通過加權求和得到一個綜合分值，并以此綜合分值來評估評價對象的方法。其基本模型為：

式中：

y-綜合評價分值；

ci-第i個指標的評價分值；

wi-第i個指標的權重。

1.2 基于加權平均評價法的煤巷錨桿支護設計

本文是在計算煤巷圍巖穩定性等級基礎上，參考煤巷錨桿支護技術規范及相關工程案例，來確定煤巷錨桿基本支護形式與主要參數。煤巷圍巖穩定性等級具體計算方法如下：

依據《我國緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩定性分類方案》，選擇7個煤巷圍巖穩定性影響因素作為評價指標，并將巷道圍巖穩定性劃分為5個等級，詳見表1，利用層次分析法得到各指標權重，詳見表2。

根據公式（1），結合上文確定的煤巷圍巖穩定性評價指標及指標權重，得到加權平均評價計算公式為：

式中：

ci-i=1，2，……，7，為對應煤巷圍巖穩定性評價指標評分值，具體取值參考表1。

煤巷的圍巖穩定性取決于y的數值，標準為：極穩定（0≤y＜2），穩定（2≤y＜4），較穩定（4≤y＜6），不穩定（6≤y＜8），極不穩定（8≤y≤10）。

2 實例應用

2.1 工程背景

經坊煤業3-6012回風順槽位于3#煤層內，埋深約260m。3號煤層平均厚度約6.2m，煤層傾角2°～6°，煤層直接頂為砂質泥巖，平均厚度為3.15m，基本頂為粗粒砂巖，平均厚度為8.3m，底板為砂質泥巖，局部為細砂巖。頂底板巖層分布情況詳見表3。

表1 評價指標及評價分值對應表

表2 評價指標權重

表3 經坊煤業3-6012回風順槽頂、底板情況表

2.2 評價結果

根據3-6012回風順槽基本情況，總結出指標數值，并結合表1得出各指標評分值，詳見表4。將各評價指標評分值代入公式（2），得到評價結果為：y=5.28，則確定3-6012回風順槽圍巖為Ⅲ類較穩定圍巖。

表4 3-6012回風順槽圍巖穩定性評價指標取值

2.3 支護參數確定

參照煤巷錨桿支護技術規范推薦的Ⅲ類圍巖錨桿基本支護形式，綜合考慮生產技術條件、支護成本、巷道掘進速度，最終確定經坊煤業南翼六采區3-6012回風順槽支護方案為：頂板錨桿直徑22mm，長度2.4m，間排距0.85m，兩排錨桿打2根錨索，錨索長度8.3m；巷幫錨桿直徑22mm，長度2.0m，間排距0.8m。詳見圖1。

圖1 支護設計斷面圖

2.4 驗證分析

（1）數值模擬

為驗證上文提出的錨桿支護方案的有效性，采用FLAC3D數值模擬軟件計算支護前后巷道圍巖移近量。根據經坊煤業3-6012回風順槽工程地質情況，煤層埋藏深度取260m，煤層厚度取6.2m，沿煤層底板掘進，斷面尺寸4000×3000mm，模型共劃分24640個單元，27405個節點，模型網格劃分詳見圖2。

圖2 數值模擬模型網格劃分圖

通過對比支護前與采用支護后巷道圍巖變形情況，可知提出的支護方案能夠有效保證經坊煤業3-6012回風順槽圍巖的穩定性，顯著地降低了巷道斷面收縮變形。從模擬結果變形圖中可以看出，無支護條件下頂板下沉量最大為19.7mm，兩幫移近量57mm。支護后巷道頂板下沉量和兩幫移近量均在10mm以下，說明采用的錨桿支護方案改善了圍巖條件，極大地減少了圍巖位移量。詳見圖3、圖4。

（2）結果分析

通過數值模擬計算結果可知，經坊煤業3-6012回風順槽在無支護條件下圍巖變形量較小，圍巖穩定性較好，所以將該巷道圍巖劃分為Ⅲ類較穩定圍巖是合理的，說明運用加權平均評價法對巷道圍巖進行分類的方法是可靠的。

對比分析支護前后數值模擬計算結果可知，提出的支護方案顯著控制了經坊煤業3-6012回風順槽圍巖變形，保障了圍巖穩定性，說明基于加權平均評價法的支護參數設計方法是可行的。

圖3 支護前后垂直位移云圖

圖4 支護前后水平位移云圖

3 結論

本文提出了基于加權平均評價法的煤巷圍巖支護設計方法，并通過計算分析得出經坊煤業3-6012回風順槽圍巖為Ⅲ類較穩定圍巖，并以此為基礎確定支護方案為：頂板錨桿直徑22mm，長度2.4m，間排距0.85m，兩排錨桿打2根錨索，錨索長度8.3m；巷幫錨桿直徑22mm，長度2.0m，間排距0.8m。通過數值模擬計算，得到支護后巷道頂板下沉量和兩幫移近量均在10mm以下，驗證了基于加權平均評價法的煤巷圍巖支護設計方案是可靠的。