巷道支護方案的優化及效果評估

劉默儒

（山西西山礦業管理有限公司西坡分公司，山西 太原 030053）

引言

一直以來，綜采工作面巷道的支護質量直接決定工作面的生產效率和安全性。近年來，我國煤炭開采面臨著開采深度加深、地質條件更加復雜以及安全要求高的挑戰，而且隨著開采的進行工作面煤層、巖層等條件處于動態變化狀態[1]。因此，為了煤礦綜采工作面的高效、安全生產，適應煤炭行業更高挑戰的發展需求，需根據生產的進行對巷道支護方案進行優化。

1 1203工作面工程概況

本文所研究礦井為斜井，其中主、副斜井的傾角為25°，主、副斜井的井筒長度均為724 m，著重對其2號煤層所屬的1203工作面（見表1）進行研究。2號煤層的厚度為1.55~3.4 m，平均煤層厚度為2.19 m，煤層的普氏硬度為3。

表1 1203工作面頂底板情況

經探測，1203工作面瓦斯的相對涌出量為1.02 m3/t，絕對涌出量為2.28 m3/min，而且該礦井屬于低瓦斯礦井。經對當前支護方案下1203工作面巷道的圍巖應力測定可知，巷道內水平應力是垂直應力的2倍左右，且水平應力為東西方向。結合當前巷道現場情況，可斷定水平應力是導致巷道巖層被破壞的主要原因。

目前，1203工作面巷道的支護方案為簡單的錨桿支護，其對應的巷道問題如下：巷道巖層、煤層被嚴重風化；巷道頂板出現嚴重的失穩現象[2]。

為保證1203工作面巷道的安全、高效生產采用注漿錨索、高預緊力錨桿錨索以及兩幫錨索的新型支護方案。

2 巷道支護方案的優化及數值模擬

2.1 錨桿支護參數的確定

頂板錨桿支護：選用左旋螺紋鋼高強錨桿，該錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，錨桿間距為9 500 mm，錨桿排間距為9 500 mm，并采用加長樹脂對其進行錨固。在錨桿支護的基礎上為頂板配鋼筋網進行輔助支護，每片鋼筋網的長度為2 200 mm，寬度為1 300 mm，要求相鄰兩片鋼筋網的搭接寬度不得小于100 mm。此外，要求錨桿預緊力不得小于200 N·m。

頂板錨索支護：選用直徑為17.8 mm，長度為6.3 m的注漿錨索，要求錨索的間距為2 200 mm，錨索排的間距為2 400 mm，每排錨索的數量為2根，每根錨索采用3支樹脂錨固劑進行錨固。此外，要求錨索的預緊力不得小于150 kN。

兩幫錨桿支護：選用左旋螺紋鋼高強錨桿，該錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，每根錨桿采用一支數值錨固劑進行錨固。在錨桿支護的基礎上為兩幫配鋼筋網進行輔助支護，每片鋼筋網的長度為2 200 mm，寬度為1 300 mm，要求相鄰兩片鋼筋網的搭接寬度不得小于100 mm。此外，要求錨桿預緊力不得小于150 N·m。

1203工作面優化支護后如下頁圖1所示。

圖1 1203工作面頂板及兩幫支護示意圖（單位：mm）

2.2 新舊支護方案的理論對比

為驗證新支護方案的效果及成本，本小節將采用數值模擬手段分別對巷道在新舊支護方案下巷道變形和錨桿受力情況進行對比[3]。根據1203工作面巷道的地質、煤層條件建立寬度為40 m，高度為30 m的巷道，并結合巖層力學參數在模型中的設置，得出新舊支護方案下巷道的變形對比如表2所示。

表2 1203巷道新舊支護方案下巷道變形的模擬對比mm

如表2所示，1203工作面巷道采用優化支護方案后巷道兩幫、頂板以及底板的變形量明顯減小；而且，采用優化支護方案后巷道上下兩幫的變形量幾乎一致，說明巷道兩幫的整體性較好。此外，對新舊支護方案下錨桿、錨索的受力對比可知：在舊支護方案下其錨桿的受力已經達到其屈服強度；而在新支護方案下，錨桿、錨索的最大受力均未達到其對應的屈服強度。

3 巷道支護方案優化的效果評估

本節將上述設計的新的支護方案應用于現場試驗中，取試驗巷道的長度為100 mm。在實際施工過程中發現，由于煤層的傾角為15°，導致現場對錨索進行施工時存在一定的困難，故將新支護方案中錨索的角度更改為25°。而且，為了解決1203工作面巷道風化嚴重的問題，在錨桿、注漿錨索支護的基礎上在巷道表面噴射柔性混凝土，要求混凝土應均勻噴射，最好將其厚度控制在75 mm左右[4]。

待1203工作面100 m試驗巷道支護施工結束后，采用GEL多點位移計對巷道變形量進行測試，在試驗巷道內設計兩個監測站，每個監測站安裝兩個位移計，分別對頂板和兩幫的位移量進行測試，對比測試數據得出如下結論：

對原支護方案下采用GEL位移計測量頂板和兩幫的總變形量均分別超過100 mm（GEL位移計的量程為100 mm），說明在原支護方案下巷道頂板和兩幫的總變形大于100 mm；而在新支護方案下頂板的變形量為30 mm，兩幫的變形量為50 mm。

新舊支護方案下對應巷道的實際支護效果對比如圖2所示，新支護方案下巷道的支護效果明顯優于舊支護方案。

圖2 新舊支護方案下巷道效果對比

綜上所述，新支護方案明顯可對巷道圍巖進行更好的控制，提升巷道的穩定性，為后續安全、高效生產奠定基礎。