礦井煤層巷道支護優化設計研究

張照宇

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦機掘三隊，山西 大同 037000）

引言

礦井巷道支護是開采生產中的關鍵環節，在設計確定合理有效的支護方案前，需要綜合考慮以下幾方面：一是巷道支護的力學過程比較復雜，巷道支護包含有圍巖、支架兩個組成部分，圍巖是施力和受力的綜合體，不僅能夠約束圍巖變形，還能向巷道空間位移；二是多種因素作用會影響支架的變形與破壞，且影響程度是不確定的，影響因素有巷道的尺寸和形狀、巖體結構、原巖應力等，這些不同因素對巷道支架破壞的影響程度、影響過程是不同的；三是礦井巷道會受到采礦和回采動壓的影響，不僅能夠加強巷道的支護，還能夠滿足巷道支護的使用時間，保證巷道支護使用的安全性；四是礦井巷道支護設計方案要滿足理論和實踐的相融合，巷道支護與圍巖應力分布，與原巖應力、圍巖和支架的作用都相互關聯[1]。目前，由于巷道支護多采用經驗判斷或是工程類比的方法，會出現巷道支護可靠性較低情況，使巷道的返修率高，這樣不僅會影響生產，同時又增加了巷道的支護成本[2]，因此，必須應用好礦井巷道先進的支護設計方案，并結合不同礦井實際，設計出合理有效的巷道支護設計方案。本文主要對比分析矩形巷道支護優化改為圓弧形巷道支護形式后，巷道支護效果的安全可行性，進而達到有效控制巷道變形的目的，確保巷道支護系統的安全。

1 圍巖松動圈的簡要介紹

在礦井巷道開挖中，開挖周邊的圍巖首先出現破碎，并慢慢向圍巖深部擴展，直至一定深度后再達到新的平衡狀態，此時，在巷道周圍就會形成以巷道圓弧中心為圓心的塑形區間的圓形區域，該塑形區間的大小不僅與巷道斷面尺寸有關，還與圍巖物理力學性能有關。因此，在礦井煤層巷道支護設計中，就是要保證塑形區內的巖體不會垮塌，也不會產生較大的變形。基于松動圈的作用機理，其已被廣泛應用在煤巷支護設計中，尤其是應用在圓弧拱形的巷道斷面形式中[3]。

依據松動圈原理，巷道圍巖被開挖后，圍巖中出現的松弛破碎帶就是松動圈，為獲得較好的錨桿支護效果，錨桿采用打穿松動圈，實際錨桿長度大于松動圈內塑形區的寬度，將塑形區內的圍巖錨固到上層穩定的巖層中，才能獲得更好的巷道支護效果[4]。

2 礦井煤層巷道支護優化設計研究

本文以某礦為對象，其頂板是以泥巖和頁巖為主的巖性，還零散分布粉砂巖、砂質泥巖和粗砂巖，且煤層厚度為2.8～10.1 m，平均煤厚為6.64 m。

原巷道支護設計是應用以往巷道支護的經驗，即采用矩形斷面形式的巷道支護。由于在矩形巷道支護中，頂板會受到較大的壓力和彎矩而出現垮落，為實現巷道支護的穩定和安全，錨桿必須采用打穿冒落拱，讓受擾動的巖體能夠懸吊在堅硬的巖層上。因此，設計為：頂板全部采用錨桿+錨索+鋼筋梯+菱形金屬網+C30 混凝土的支護形式，其中，對于煤層頂板較厚的位置，可適當應用加長錨索或者更長的錨索進行支護，最大限度地發揮錨索的錨固力，此外，還采用菱形金屬網對巷道表面圍巖進行控制，并在鋼筋梯的固定下使其緊貼巖壁。矩形巷道支護設計如下頁圖1 所示。

圖1 原矩形斷面形式的巷道支護設計圖（單位：mm）

對于巷道斷面形狀的選擇，還需要綜合考慮現有的支護狀況和支護條件，根據以往施工經驗，當本礦煤層全部采用矩形斷面的巷道支護時，會使用大量的錨桿、錨索及組合錨索進行巷道的支護，不僅浪費支護材料，使支護成本增加，且支護效果也不明顯。同時，結合本礦煤層賦予條件以及原巖初始應力場的基本情況，采用圓弧巷道的斷面形式進行優化支護，并取消錨索和組合錨索的使用，即采用錨桿+菱形金屬網+W 型鋼帶+噴射混凝土的支護形式，其中，同樣采用菱形金屬網對巷道表面圍巖進行控制，并配合W 型鋼。優化后的支護設計如圖2 所示。

圖2 優化后圓弧形斷面形式的巷道支護設計圖（單位：mm）

為驗證優化后支護設計方案的安全可行，將原矩形巷道采用的支護方式與圓弧巷道采用的支護形式進行對比分析，主要模擬研究兩種狀態下頂底板的變形情況，進而確定優化支護方案的合理性和實用性。

通過對比分析圓弧形巷道與矩形巷道支護形式下的頂板位移變化情況，得到圖3 所示的曲線。

圖3 中，對于圓弧形巷道優化支護形式，頂板豎直方向上的最大位移值大小是24.0 mm，對于矩形巷道在原支護形式下，豎直方向上的最大位移值大小是27.31 mm。通過對比可知，圓弧形巷道在現有的支護條件下豎直方向上的變形量小于矩形巷道。雖然矩形巷道增加了錨索作用效果，但還是沒有圓弧形巷道能夠更好地控制巷道頂板的下沉，綜上可知，選擇合理的巷道斷面形式，對控制圍巖頂板下沉變形有著重要的影響。

圖3 對比圓弧形巷道和矩形巷道支護形式下的頂板位移量

同樣，通過對比分析圓弧形巷道與矩形巷道支護形式下的底板位移變化情況，得到圖4 所示的曲線。

圖4 對比圓弧形巷道和矩形巷道支護形式下的底板位移量

圖4 中，對于圓弧形巷道優化支護形式，底板方向上的最大位移值大小是3.56 mm，對于矩形巷道在原支護形式下，豎直方向上的最大位移值大小是5.84 mm，對比兩種狀態下的計算分析結果可知，圓弧形巷道最大底鼓范圍僅占全區的0.3%，而矩形巷道約占0.8%，且出現底鼓的范圍也比矩形巷道明顯要小。

3 結論

為選取合理的巷道斷面形狀，使圍巖受力均勻并降低圍巖的破壞。本文主要分析矩形巷道采用錨桿+錨索+鋼筋梯+菱形金屬網+C30 混凝土的支護形式，優化改為圓弧形巷道采用錨桿+菱形金屬網+W 型鋼帶+噴射混凝土的支護形式后，模擬對比研究兩種狀態下頂底板的變形情況，結論如下：

圓弧形巷道支護形式下的頂底板變形量均小于矩形巷道，且出現底鼓的范圍也比矩形巷道明顯要小，表明圓弧形巷道支護設計方案能夠減小圍巖的變形，支護效果安全有效。