巷道支護參數的設計及優化分析

韓天問

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030053）

引言

巷道的支護效果和支護質量是煤礦安全生產的基礎，每個綜采工作面地質、水文以及煤層特點各不相同，其對應的支護參數也各有區別。因此，巷道的支護參數應與其所應用工作面地質、水文以及煤層等條件以及圍巖的變形特征相匹配，使其支護方案效果達到最佳[1]。本文以32617運輸大巷為研究對象，著重分析不同支護參數對巷道圍巖變形的影響。

1 工程概況

經現場測量，32617運輸大巷的斷面尺寸為6.4m×5.2 m，巷道斷面的拱形高度為3.2 m，32617運輸大巷工作面走向長度為1 817 m、傾斜長度為187.4 m，面積為340 505.8 m2，傾角為2°～11°，平均5°。該工作面所采9號煤層裂隙發育，結構簡單，局部地段煤層下部夾0.2 m的頁巖或炭質頁巖，厚度變化不大，屬于穩定煤層。

煤層頂板（偽頂、直接頂、老頂）：描述煤層頂板巖石性質、層理、節理、厚度、強度（硬度）、頂板分類等情況及其變化情況。煤層頂底板巖層情況如表1所示。

最大涌水量25 m3/h，正常涌水量為0～5 m3/h；瓦斯絕對涌出量為2 m3/min；煤塵爆炸指數為21.33%，具有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ級，易自燃。

表1 32617運輸大巷工作面煤層頂底板巖層情況表

2 巷道支護參數的初步確定

針對32617運輸大巷的地質、水文以及煤層特征，結合相關理論計算及支護經驗，初步擬定32617運輸大巷采用錨桿+錨索聯合支護的方式進行支護，支護參數初步設計如下：

2.1 錨桿支護參數的初步確定

2.1.1 頂板錨桿支護參數

鑒于32617運輸大巷軟巖巷道，結合支護經驗要求：針對軟巖巷道其錨桿支護間距的范圍一般在0.5～0.8 m之間。錨桿支護參數的理論計算如下：

2.1.1.1 錨桿支護的有效長度l

式中：a為錨桿的間排距，取0.8 m；b為組合拱的厚度，取1.2 m。將數值代入公式得l=2 m。

2.1.1.2 錨桿的長度L

式中：L1為錨桿的外露長度，取50 mm；L2為錨桿的錨固長度，取最小值為500 mm。將數值代入公式得L=2 550 mm。

2.1.1.3 錨桿的直徑d

式中：P為錨桿的錨固力，取117.75 kN；σt為錨桿的抗拉強度，取500MPa。將數值代入公式得d=17.24mm。

結合選型經驗及上述理論計算結果，初步擬定錨桿的直徑為22 mm，錨桿長度為2.8 m，錨桿的間排距為800 mm。

2.1.2 兩幫錨桿支護參數

2.1.2.1 巷道片幫深度C

式中：h為巷道高度，取5.2 m；φ為巷道圍巖的內摩擦角，取30°。將數值代入公式得C=3.002 m。

2.1.2.2 兩幫錨桿的長度L'

式中：L1為錨桿的外露長度，取50 mm；將數值代入公式得L=3 552 mm。

結合選型經驗、上述理論計算結果及頂板錨桿的支護參數，初步擬定兩幫錨桿的直徑為22 mm、長度為3.55 m、間排距為800 mm。

2.2 錨索支護參數

錨索錨固段的長度L''

式中：K為安全系數，取1.2；Q為錨索的理論載荷值，取256 kN；d'為錨索孔直徑，取30 mm，τ為樹脂與鋼絞線的黏結力，取5 MPa。將數值代入公式得L''=0.93 m。

錨索的總長度Lz

式中，Lp為錨索的有效長度，取5 m；L2'為錨索的外露長度，取0.2 m。將數值代入公式得Lz=6.13 m。

結合錨桿初步擬定的支護參數和錨索的支護參數，初步擬定錨索的直徑為22 mm，錨索的總長度為6.3 m，錨索的間排距為1 600 mm。

3 不同支護參數對巷道圍巖的影響

本文采用FLAC3D數值模擬軟件對不同支護參數下巷道圍巖的變形特征進行分析，進而得出巷道的最終支護參數[5]。

3.1 不同錨桿長度對巷道圍巖變形的影響

采用控制變量法進行分析，對應錨桿直徑為22 mm，錨桿之間的間距為800 mm，對比錨桿長度分別為2.2 m、2.5 m、2.6 m、2.8 m和3.0 m時巷道圍巖的變形情況，仿真結果如圖1所示。

從圖1可以看出：隨著錨桿長度的增加對應巷道頂板、底板以及兩幫的變形量均在減小。其中，巷道底板的最大變形量由250 mm減小至約170 mm，巷道頂板的最大變形量由215 mm減小至約150 mm，巷道兩幫的最大變形量由200 mm減小至140 mm。則，可將錨桿的長度優化為3.0 m。

3.2 不同錨桿直徑對巷道圍巖變形的影響

采用控制變量法進行分析，對應錨桿長度為3 m，錨桿之間的間距為800 mm，對比錨桿直徑分別為16 mm、18 mm、20 mm、22 mm以及 24 mm時巷道圍巖的變形情況，仿真結果如圖2所示。

從圖2可知：隨著錨桿直徑的增加對應巷道頂板、底板以及兩幫的變形量均在減小。其中，巷道底板的最大變形量由225 mm減小至約175 mm，巷道頂板的最大變形量由200 mm減小至約150 mm，巷道兩幫的最大變形量由180 mm減小至140 mm。則，可將錨桿的直徑優化為24 mm。

圖1 不同錨桿長度巷道圍巖的最大位移

圖2 不同錨桿直徑下巷道圍巖的最大位移

3.3 不同錨桿、錨索間排距對巷道圍巖變形的影響

采用控制變量法進行分析，對應錨桿長度為3 m，錨桿直徑為24 mm，對比錨桿間排距分別為600 mm×600 mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm、750 mm×750 mm以及800 mm×800 mm時巷道圍巖的變形情況，仿真結果如圖3所示：

圖3 不同間排距下巷道圍巖的最大位移

從圖3可知：隨著錨桿間排距的增加對應巷道頂板、底板以及兩幫的變形量均在增加。其中，巷道底板的最大變形量由105 mm增大至約190 mm，巷道頂板的最大變形量由90 mm增大至約160 mm，巷道兩幫的最大變形量由85 mm增大至150 mm。

則，可將錨桿的間排距優化為600mm×600mm。

同理，對不同錨索間排距對巷道圍巖變形量影響對比，得出錨索間排距的最優解應為1 200 mm×1 200 mm。

4 結語

1）巷道圍巖的支護效果和支護質量與煤礦安全生產息息相關，巷道圍巖的支護參數需充分結合巷道斷面形狀、尺寸及地質、水文以及煤層條件確定。因此，在實際支護中可采用理論計算與仿真分析的手段對巷道支護參數進行優化。

2）以32617運輸大巷為研究對象，基于理論計算與仿真分析的聯合手段得出其最優支護參數如下：錨桿直徑為24 mm，錨桿長度為3 m，錨桿間排距為600 mm×600 mm，錨索間排距為1 200 mm×1 200 mm。