巷道快速掘進支護方案優化分析

王 飛，楊鵬飛

(1.潞安化工集團有限公司 古城煤礦，山西 長治 046102；2.應急管理部信息研究院，北京 100013)

隨著我國科技的進步，巷道掘進設備不斷發展，巷道掘進速度不斷提高，工作面投產的時間大大縮短[1]。但工作面的快速推進也導致工作面頂板及煤層應力環境改變，傳統支護方式已無法滿足巷道快速掘進的需要，因此需要依據頂底板變化巖性對支護參數進行調整優化[2-5]。本文以古城礦S1301工作面回風巷為實際背景，通過對原有支護方案優化設計，提出適合S1301工作面回風巷快速掘進的支護方案。

1 工程概況

S1301工作面位于3號煤層，煤層厚3.35～10.25 m，平均厚度6.32 m，煤層傾角3～22°，局部傾角大于15°，傾角平均6°，煤層埋深606.7～667.2 m，垂直應力約為17.1 MPa，煤層頂底板巖性較軟，頂底板巖性見表1。

2 工作面支護現狀分析

2.1 支護參數現狀分析

S1301 工作面回風巷為矩形斷面，寬×高=4 000 mm×3 200 mm，沿煤層頂板掘進。

1) 巷道頂板采用錨桿與錨索聯合支護形式，錨桿采用左旋無縱筋螺旋錨桿，D22 mm×2 000 mm，間排距1 000 mm×1 500 mm，采用2只樹脂藥卷錨固；錨索規格為D18.9 mm×7 300 mm，間排距1 000 mm×1 500 mm。

2) 巷道兩幫主要采用左旋無縱筋螺旋錨桿支護，規格為D18 mm×1 800 mm，間排距1 000 mm×1 500 mm。回風巷支護布置示意見圖1。

表1 S1301工作面頂底板巖性

圖1 回風巷支護布置示意(mm)

2.2 原支護方案效果分析

原支護方案不能有效控制巷道圍巖變形，在掘進作業期間常出現頂板裂紋、兩幫變形。為保證巷道掘進工作的順利進行，對巷道圍巖變形進行了檢測，原支護條件下巷道圍巖變形情況見表2。

由于原支護方案支護效能有限，造成巷道圍巖變形明顯，尤其巷道兩幫，變形尤為明顯，對巷道掘進產生一定影響，因此需要對巷道原支護方案進行優化設計。

表2 S1301工作面頂底板巖性

3 巷道支護參數優化

3.1 錨桿參數

通過現場實測，獲得回風巷道自穩平衡拱高度為1.9 m，錨桿支護長度應不短于自穩平衡拱高度。

L=L1+L2+L3

(1)

式中：L1為頂錨桿自由端長度，取0.1 m；L2為平衡拱拱高，取1.9 m；L3為平衡拱拱外長度，取0.5 m。

可得L=2.5 m。

同時基于礦井實際情況，選定錨桿直徑為20 mm。根據實測錨桿屈服強度QB=65 kN，平衡拱內錨桿承受最大載荷G=151.98 kN，則每排錨桿數量為：

(2)

因此確定頂板每排錨桿數量為5根。由于巷道寬度為4 m，因此每排錨桿間距800 mm。依據礦井需要，確定錨桿排距1 400 mm。

綜上所述，確定錨桿參數為D20 mm×L2 500 mm，間排距800 mm×1 400 mm。

3.2 錨索參數

基于公式(3)可計算錨索長度：

Ls=La+Lb+Lc

(3)

式中：La為直接頂厚度，取4.3 m；Lb為錨索外露端長度，取0.3 m；Lc為錨索自由端長度，取3.2 m。

可得Ls=7.8 m。

4 優化支護模擬分析

為確定優化支護方案的支護效果，文章進行原始支護參數和優化后支護參數的模擬效果對比分析。需要注意的是，錨桿支護應力數量級遠小于原巖應力，為保證支護效果，本文采用零原巖應力條件下模擬支護參數，圍巖具體參數如表3所示。數值模型長×寬×高=50 m×2 m×46.2 m，近水平分布。巷道設計為矩形斷面，寬 4.0 m、高3.2 m，模型底邊邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。支護優化前后支護應力示意見圖2。

表3 數值模型巖層材料參數

圖2 優化支護前后巷道支護應力截面示意

分析圖2可知，在原始支護方案中，巷道頂幫淺部圍巖形成平均大小為0.16 MPa的支護壓應力區，且由淺入深，支護應力值逐漸增大；兩幫范圍內圍巖支護壓應力平均值為0.74 MPa，且呈弧狀分布在兩幫。需要注意的是，由于頂板和兩幫圍巖形成有機支護體，應力沿煤層底板向深部傳遞，且隨著深度增加，壓應力逐漸升高。支護方案優化后，巷道頂板淺部較原支護方案形成更高范圍的支護壓應力區，平均大小為0.23 MPa，兩幫平均支護應力0.96 MPa，支護應力區分布特征同原支護方案，說明優化支護后，支護應力有效提升，巷道圍巖整體的穩定性增加。

5 優化支護參數現場試驗

試驗選取回風巷道50 m范圍對優化支護方案實施20 d的試驗驗證。圖3、圖4分別為20 d內監測到的巷道頂板變形量和兩幫變形量。

圖3 優化支護后回風巷頂底板移近量曲線圖

圖4 優化支護后回風巷兩幫移近量曲線圖

分析圖3和圖4可知，工作面支護參數優化后，巷道圍巖變形量得到有效控制，其中頂底板移近量最大為33.6 mm，兩幫最大變形量為11.6 mm，遠小于原支護方案的358.6 mm和465.7 mm，說明優化方案能夠實現對掘進巷道圍巖變形的有效控制。

6 結 語

本文對S1301工作面回風巷原有支護方案進行優化設計，通過優化支護參數有效控制了巷道圍巖變形量，頂底板移近量和兩幫變形量由原來的358.6 mm和465.7 mm分別減小到33.6 mm和11.6 mm。