回風順槽工作面支護優化設計

劉 杰

（西山煤電集團公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

煤礦開采的安全性在很大程度上受制于對頂底板圍巖的控制效果，常規采用液壓支架支護和錨桿錨索聯合支護方式對工作面圍巖進行控制。統計表明，煤礦生產中有超過50%的事故均是由于圍巖控制效果不佳所導致。而且，在實際生產中由于工作面圍巖地質條件相對復雜且特性多變，需針對性地完成工作面的設計[1]。本文將重點針對回風順槽工作面的高應力巷道進行支護設計，并通過工程實踐對支護效果進行評估。

1 1214工作面概況

本文以某礦1214回風順槽工作面為例開展系列研究。為保證后續所設計的支護方案與回風順槽工作面相互匹配。本節將重點對1214回風順槽的地質條件進行探測評估。具體闡述如下：

1214回風順槽工作面煤層的厚度范圍為7.23～22.14 m，煤層平均厚度為15 m。經對工作面煤質進行測量可知，1214回風順槽工作面煤層煤炭的普氏硬度系數為3，煤層的傾角范圍為2°～5°，煤層平均傾角為3°。1214回風順槽工作面的頂底板條件如表1所示。

經預測可知，1214回風順槽工作面的最大涌水量為0.5 m3/h。目前，回風順槽工作面支護采用的液壓支架具體型號為ZY3600/10/20。結合表1中1214回風順槽工作面的頂底板條件，通過仿真計算可知，該工作面在垂直方向的最大應力為15 MPa、最小應力為2 MPa。

表1 1214回風順槽工作面頂底板條件

2 回風順槽工作面支護設計

結合上述對1214回風順槽工作面的地質條件，本節通過構建數值模擬模型，對不同錨桿錨索聯合支護參數對應的支護效果仿真對比，最終得出最佳適用于1214回風順槽工作面的支護方案。

2.1 模型建立

根據1214回風順槽工作面的實際情況和巷道的基礎尺寸，基于FLAC3D軟件建立寬度為3.5 m、高度為2.5 m的數值模擬模型。為切實獲得可指導實際生產的仿真結果，將回風順槽工作面周圍的單元格劃分為0.5 m，其他遠離回風順槽工作面的單元網格尺寸較大[2]。

根據表1中的地質條件對模型中各類巖層的參數進行設置。網格劃分和參數設置完畢護，基于摩爾庫倫屈服準則對當前1214回風順槽工作面在未來生產過程中的變形情況進行模擬預測。經模擬可知，1214回風順槽工作面在未開展任何支護的條件，頂板的最大破壞量可達到1.8 m，而工作面兩幫的最大破壞量1.7 m。

2.2 支護方案的選擇

通過實踐表明，目前煤礦巷道、回風順槽等工作面支護應用較為廣泛的支護方式為錨桿+錨索聯合支護。同時，采用工程類比法和現有煤巷的支護經驗，根據工作面圍巖的穩定程度可初步確定支護參數[3]。1214回風順槽工作面為中等穩定圍巖，當頂板相對完整時采用錨桿+鋼筋梁的支護方案即可；當頂板出現一定程度的破碎時，需采用錨桿+鋼筋梁+網或增加錨索的綜合支護方式。

結合1214回風順槽工作面的頂板狀態，最終確定采用錨桿+鋼筋梁+網或增加錨索的綜合支護方式。

2.3 支護參數的確定

2.3.1 錨桿支護參數

工作面支護錨桿包括有兩幫錨桿和頂部錨桿。兩幫錨桿長度與錨桿外露長度（一般取值為0.2 m）、錨桿有效長度（兩幫最大變形量為1.7 m）和錨固長度（一般取值為0.3 m）相關，則可以得出兩幫錨桿長度為2.2 m。兩幫錨桿直徑為錨桿長度/110，則可以得出兩幫錨桿直徑為2.2 m/110=20 mm。

頂板錨桿長度結合自然平衡拱理論計算，其主要考慮頂板圍巖的變形量（最大變形量為1.8 m）和錨桿的外露長度（一般取值為0.6 m），則可以得出頂部錨桿的長度為2.4 m，對應的頂部錨桿直徑為2.4 m/110=22 mm。

基于工程類比法，適用于1214回風順槽工作面錨桿間距為0.6～1.0 m。其中，頂板錨桿間距為800 mm或900 mm，兩幫錨桿間距為900 mm。錨桿排距為700 mm、900 mm和1 100 mm三種情況。

2.3.2 錨索支護參數

結合1214回風順槽工作面的實際情況和該煤礦其他回風順槽工作面的支護經驗，最終確定錨索直徑為15.24 m、長度為5 500 mm[4]。

2.3.3 金屬網參數

為改善錨桿的整體承載能力，在錨桿+錨索的支護方案下，采用直徑為6.5 mm的金屬絲分別制成規格為100 mm×100 mm的金屬網。

2.3.4 鋼帶參數

同樣結合工作面實際情況和選型經驗，1214回風順槽工作面最終選用型號為BHW-280-2.75鋼帶，其對應的關鍵參數如表2所示。

表2 BHW-280-2.75鋼帶關鍵參數

根據錨桿間距和排距不同，對六種不同方案下對應頂板和兩幫的變形量進行對比，六種支護方案如表3所示。

表3 六種不同支護方案

經過數值模擬分析，得出上述六種不同支護方案下對應頂板和兩幫的變形量如表4所示。

如表4所示，工作面支護狀態下頂板和兩幫的變形量明顯較無支護狀態下減小；而且支護方案四、五、六對應的支護的效果明顯優于支護方案一、二、三，說明頂板間距減小有利于對圍巖的控制。具體對比方案四、五、六可知，隨著錨桿排距的增加，頂板下沉量和兩幫移近量均增加。因此，理論上錨桿排距越小越好[5]。但是，綜合考慮錨桿排距過小會增加支護成本，降低支出效率，而且方案五和方案六對圍巖的控制效果相差不多。

表4 不同支護方案對應頂板和兩幫的變形量

綜上，最終確定支護方案五對1214回風順槽工作面進行支護，最終支護效果如圖1所示。

圖1 1214回風順槽工作面支護效果圖（單位：mm）

3 結論

根據綜采工作面的地質條件針對性地提出有效的支護方案，對于保證工作面的安全性生產和高效的生產率具有重要意義。本文針對1214回風順槽工作面，采用工程類比法和該工作面所屬煤礦其他工作面的支護設計完成了該工作面最終支護方案的選擇和支護參數的確定。

1）結合1214回風順槽工作面的頂板狀態，最終確定采用錨桿+鋼筋梁+網或增加錨索的綜合支護方式。

2）兩幫錨桿長度為2.2 m，錨桿直徑為20 mm，頂部錨桿的長度為2.4 m，頂部錨桿直徑為22 mm，錨桿排距為900 mm，頂部錨桿間距為800 mm，兩幫錨桿間距為900；錨索直徑為15.24 m，長度為5 500 mm；金屬網的規格為100 mm×100 mm；鋼帶型號為BHW-280-2.75。