工作面煤巷支護方案及參數設計

張 飛

（山西西山礦業管理有限公司西坡分公司，山西 太原 030053）

引言

中國的煤炭生產方式主要為井工開采，每年需要發掘大量的巷道，其中巷道發掘近八成的占比為煤巷[1]。煤巷是煤礦生產的重要通道，煤巷的主要作用是便于煤巖體和工程材料的運輸、地下通風、行人交通等。煤巷在使用期間的安全性直接影響礦井的建設以及采煤量。但煤巷巖層復雜多變，巖層物理學參數及礦井設計千差萬別，使得煤巷支護面臨設計條件差異性大、安全性差、支護難度高等問題[2]。為保證煤巷在使用期間的穩定性，國內外大量相關科技工作者對煤巷支護進行研究，形成了相關煤巷支護技術，推動了世界煤炭的發展。

1 6105工作面工程概況

本文所要完成的工作是對某個煤礦的6105工作面的順槽以及切眼地段進行設計。煤層為近水平煤層，井田寬緩的褶曲為主，整個煤礦沒有巖漿活動過的痕跡，切斷層較為稀少，總體上有利于回采。如圖1所示，為6105工作面巷道的位置[3]。

圖1 巷道位置

6105工作面名稱及尺寸如表1所示。

表1 巷道名稱及尺寸 mm

本文中，6號煤層6105工作面的圍巖基本力學參數如表2所示。

表2 6號煤層6105工作面圍巖基本力學參數

2 支護數值模擬分析

2.1 6105工作面開切眼模型的建立

本文6號煤層平均厚度取12 m，埋深取150 m。開切眼尺寸為7 500 mm×3 000 mm，將其布置在6號煤層，并且根據相關要求需要留出9 m厚的頂煤。巷道頂板模擬取30 m，底板模擬取9.4 m，巷道兩幫各25 m。

2.2 無支護條件下6105開切眼模擬

2.2.1 無支護時圍巖塑性破壞范圍

開挖后，若不采取任何支護措施，那么圍巖會被破壞。通過仿真軟件模擬可以得出巷道頂板破壞范圍為2.0 m，兩幫破壞范圍為1.4 m。如果不及時采取相應的支護措施，那么巷道圍巖將會發生頂板冒落、跨落等危險后果。

2.2.2 無支護時圍巖應力

本文對無支護時圍巖應力從豎直方向和水平方向上分開討論。

當礦山進行開采活動時，巷道圍巖在豎直方向上的應力被分為三個區域，分別為降低區、增高區、平衡區。應力在頂板中2 m的范圍內降低得明顯，兩幫的豎直應力在1 m的范圍內為降低區；1.0~1.5 m為平衡區；大于1.5 m的范圍為增高區，最大應力出現在1.72 m處。

對于水平方向上的應力，當兩幫水平應力引起圍巖破壞時，水平方向上的應力會有所降低，降低的區域半徑為1.5 m。

2.2.3 圍巖無支護位移分布

頂板的方向位移和兩幫朝巷道方向的位移在沒有支護條件時較為嚴重，其中，對于頂板，最大位移出現在頂板中間，下沉位移大約為63.4 mm；對于底板，最大位移出現在底板中間，突起大約為16.3 mm。相對位移量為79.7 mm。圍巖中的左右幫位移是對稱的，相對位移近127 mm。

2.3 存在支護作用下6105開切眼模擬分析

2.3.1 圍巖塑性破壞分析

巷道在支護作用下，與無支護條件相比，圍巖的塑性區范圍減小很多。

2.3.2 圍巖應力

在存在支護的條件下，無論是巷道的豎直方向還是水平方向，其應力狀態明顯好于無支護時。與無支護相比，應力向的巷道方向移近0.49 m，應力降低區此時為0.49 m以內的范圍，相應的，此時應力平衡區范圍為0.49~1.0m，應力增高區的范圍為大于1m，應力的峰值出現在1.1 m處。圍巖中的兩幫豎直方向上的應力升高區的范圍也隨之增加，在豎直方向上應力向圍巖深處繼續傳遞由于支護的作用而被阻止，進而使得巷道保持穩定。

對于水平方向應力，與無支護時相比，底板水平方向應力更加均勻，頂板范圍的拉應力范圍減小。巷道的頂板圍巖在支護作用下達到了穩定的狀態。

2.3.3 圍巖應變特征

豎直方向、水平方向的位移均得到了較為理想的控制。相對位移量均減少了30%以上。

3 6105工作面煤巷支護方案及參數

3.1 支護方案確定方法

本文中，頂板錨桿和幫錨桿長度取值均為2.4 m，同時二者之間的距離應該小于1.0 m。錨索的長度應該大于6.8 m。

根據原國家煤炭部提出了關于錨桿支護的規范條件，其內容主要是關于錨固力、桿體破壞力、金屬錨桿支護參數以及巷道錨桿支護方案和技術參數等要求。

根據設計規范要求，本文設計的支護方案為：錨桿+W鋼筋梁+網+錨索。其中端錨，桿體直徑為15~16 mm，桿長的長度為1.7~2.1 m，間排距為650~950 mm，本文中錨固力>65 kN；對于全長錨桿，桿體直徑為19~21 mm，桿體的長度為1.9~2.3 m，間排距與端錨的間排距要求相同，為650~950 m。

3.2 運輸順槽錨網支護方案和參數

本文的錨桿支護方案為錨桿+金屬網+鋼筋梁聯合支護。錨桿的支護技術參數見表3。

表3 6105工作面運輸順槽錨網支護部分參數

對于錨固方式頂板支護和巷幫支護均采用樹脂錨固法，其中頂板支護錨固劑規格為K2335和Z2360。鉆孔Φ為28 mm，錨固尺寸為1.1 m；巷幫支護錨固劑型號為Z2360，鉆孔的直徑Φ取值為30 mm，錨固尺寸為600 mm。對于網片規格，兩種支護方法均選用經緯形式的金屬網，巷幫支護網孔規格均為40 mm×40 mm，網片之間的搭接寬度均為0.1 m，均用16號鉛絲進行連接。其中頂板支護網片規格為4.2 mm×1.1 m，巷幫支護網片規格為3 mm×1.1 m。對于錨桿布置，頂板支護采用錨桿排距1 m，每排5根錨桿，間距為1 m的方式；巷幫支護錨桿排距為1 m，每幫每排兩根錨桿，間距為1.2 m。在最底下的錨桿距離底板應為1.2 m，靠近頂板最近的幫錨桿與頂板之間的距離應為600 m。對于錨桿角度，錨桿與頂板面相垂直，在巷道矩形的拐角處，最后一根錨桿與垂直方向成30°。巷幫支護中，靠近頂板的一根錨桿與地平線呈30°角，其余錨桿與巷幫垂直。運輸順槽錨網支護布置圖見圖2。

圖2 運輸順槽錨網支護布置圖（未標單位：mm）

3.3 回風順槽錨網支護方案及參數

本文的支護方案為錨桿+金屬網+鋼筋梁聯合支護。錨桿的支護技術參數見表4。

表4 6105工作面回風順槽錨網支護部分參數

對于錨固方式，頂板支護采用樹脂加長錨固的方式，需要采用錨固劑的規格分別為K2335、Z2360，鉆孔的直徑Φ為28 mm，錨固尺寸為1.1 m；巷道支護采用樹脂端部錨固，錨固劑規格為Z2360，鉆孔Φ為30 mm，錨固尺寸為600 mm。對于錨桿角度、網片規格，工作面回風順槽錨網支護與工作面運輸順槽錨網支護設計相同。對于錨桿布置，除頂板支護中靠近巷道兩幫最后一個錨桿距離巷道兩幫的距離為0.1 m外，其他參數工作面回風順槽錨網支護與工作面運輸順槽錨網支護設計相同。6105工作面回風順槽錨網支護布置圖見圖3。

圖3 6105工作面回風順槽錨網支護布置圖（未標單位：mm）

4 結語

本文通過對支護數值模擬分析比較了有無支護時圍巖塑性破壞范圍、圍巖應力云圖、圍巖應變特征。通過支護作用可以使得圍巖的塑性區范圍減小很多，阻止了在豎直方向上應力向圍巖深處繼續傳遞，進而使得巷道保持穩定。對于水平方向應力，與無支護時相比，底板水平方向應力更加均勻，頂板范圍的拉應力范圍減小。豎直方向相對位移量均減少了30%以上。最后本文分析了6105工作面煤巷支護方案及參數，包括運輸順槽和回風順槽錨網支護方案及參數。