運輸順槽支護優化設計的數值模擬及現場工業性試驗分析

張正東

（壽陽段王集團友眾煤業有限公司，山西 壽陽 045499）

引言

運輸順槽在綜采工作面推進即開采擾動的情況下必然會發生變形破壞，通常情況下對運輸順槽的支護設計要求滿足開采需要，完成綜采工作面的推進任務即可。但當支護設計不能達到生產要求時，運輸順槽的破壞變形量極為嚴重，會影響到帶式輸送機正常的煤炭資源運輸，以及巷道、綜采工作面的通風安全，因此對此類運輸順槽進行優化設計，可極大地提高煤礦企業的安全、高效生產。

1 3109 工作面概況

某礦在開采3109 工作面，煤層平均厚度3.8 m，埋深620 m，煤體容重1.43 t/m3，普氏系數2～3。該煤層地質構造較為復雜，頂底板巖性中等穩定，具體參數見表1。伴隨著工作面的正常推進發現該運輸順槽的巷道變形量越來越嚴重，經過測量發現，最嚴重的地方巷道僅剩4.6 m 寬，嚴重威脅到綜采工作面的生產開采過程，對運輸順槽進行臨時支護設計，通過木垛以及工字鋼簡單支護后效果并不理想，因此決定對該巷道進行支護優化設計。

表1 煤層頂底板巖性

該3109 工作面回采巷道為矩形巷道，其寬×高尺寸設計為3 200 mm×5 000 mm，支護方式為錨桿錨索支護。優化設計之前巷道頂部6 根錨桿均為垂直布設，間距900 mm，錨桿長度設計為1 200 mm；錨索長度5 800 mm，布設數量2 根，間距1 800 mm。兩幫錨桿均為水平布設，間距900 mm，各布設4 根。先根據錨桿錨索的布設情況對其進行優化處理。

2 圍巖破壞原因分析

1）根據頂底板巖性進行判斷，可以看出3109 工作面巖性普遍松軟，普氏系數較低，頂板較為破碎，在開采過程中經常會發生頂板的自然垮落，煤壁片幫情況也較為嚴重。而且由于煤層地質構造較為復雜，裂隙較為發育，在綜采工作面推進過程中若對巷道的支護處理不足，極易發生圍巖的變形破壞。

2）從先有支護設計上進行分析，錨桿長度為1.2 m，該長度的支護效果太差，需進行加長處理，同樣錨索的長度也應進行改進，根據直接頂6.8 m 厚度為基礎設計錨索長度應＞7 m，以達到將頂板與直接頂進行錨固的效果，形成整體結構有助于加強圍巖的穩定性。

3）工作面開采擾動的影響，在工作面不斷推進過程中，圍巖應力也在不斷發生著變化，圍巖水平應力大于垂直應力的特點使得錨桿極易發生剪切破壞，從而發生斷裂，喪失原先的支護能力，而基于這個特點也可以看出巷道的變形破壞主要以水平兩幫的擠壓破壞最先開始呈現。根據這一特點進行巷道的支護優化檢驗，可以取得較好的檢驗效果[1]。

3 支護設計優化方案

3109 工作面區段運輸平巷的高度3 200 mm、寬度5 000 mm，進行支護優化處理的頂板布設錨桿6根長度由1.2 m 增加到2 m，其中4 根錨桿垂直布設，2 根錨桿偏離垂直方向10°布設；布設兩根錨索，長度7 300 mm，可直接與直接頂巖層進行鉸接，使兩層巖層錨固為一個整體增大圍巖強度，兩幫部錨桿各4根，均為水平方向布設，最上端2 根錨桿也作偏離10°的處理，以保證幫角的穩定性，具體見下頁圖1。

圖1 區段平巷支護設計方案示意（單位：mm）

對于頂部錨桿選用Φ20 mm×2 400 mm 的鋼錨桿進行支護設計，兩幫的錨桿為Φ20 mm×2 000 mm，同時為鋼錨桿支護且配置200 mm×200 mm×12 mm厚的鋼托板進行加固處理。頂部錨桿的間距為900 mm，其中每根錨桿需要3 套MSK2335 型號的樹脂進行錨固。錨網的鋪設鋼絲直徑為6 mm，網格100 mm×100 mm，排扣200 mm。在運輸區段平巷的頂部有2 根長7 300 mm 的錨索，2 根錨索間距在1 800 mm，型號為KL18.9-1/1860-7300，其錨固力可達300 kN。

4 優化設計檢驗

4.1 數值模擬試驗

根據上述數據對區段運輸平巷進行數值模擬試驗，分析巷道在采動及來壓影響下的變形情況，將錨桿錨索進行錨固的作用力大小，與巷道圍巖應力大小進行對比，分析優化后區段運輸平巷的支護效果。可以知道區段運輸平巷在采動擾動下它會破壞原有的應力平衡狀態，進行原巖應力的重新分布，而圍巖對應力的支撐能力不夠時，便會導致巷道的變形，呈現出來就是巷道頂底板擠壓破壞或頂板垮落現象的發生。根據測算對巷道優化支護下的支護參數進行模擬計算，在距離3109 工作面200 m 長度的區段運輸平巷中布設測點16 個，進行數據采集，為數值模擬提供應力數據支撐，在區段運輸平巷頂板均勻布設4 個測點；在區段運輸平巷的兩幫各布設4 個測點，幫角處2 個，中部1 個，底部1 個；底板上布設4 個測點，與頂板測點布設方式相同[2]。通過采集數據情況進行區段運輸平巷的數值模擬分析研究，其具體的巷道圍巖應力分布見圖2。

圖2 3109 工作面回采巷道圍巖應力分布

從圖2 可以看出，區段運輸平巷在進行支護優化設計之后，整體圍巖巷道應力值都得到了有效的緩解。其中頂板的應力值得到大幅降低，根據錨桿錨索錨固能力進行分析，該應力值遠遠小于錨桿錨索的支護能力，因此優化支護方案將有效避免頂板垮落事故的發生；水平剪切應力在模擬試驗中較大，而且在兩幫區域內發生了明顯的應力集中現象，因此兩幫的變形量將會增強，也就是說在實際工作面推進過程中，區段運輸平巷的兩幫將繼續擠壓變形，但根據支護分析兩幫錨桿的錨固力設計能力可以滿足數值模擬的最大應力值，兩幫的移近量保持在可以接受的范圍之內，始終不會影響正常的工作面開采生產工作，基本可以保證區段運輸平巷兩幫的支護安全。

4.2 現場應用分析

在區段運輸平巷進行工業性試驗分析，觀測距離3109 綜采工作面長度不同時區段運輸平巷的變形量的大小，具體圖示見圖3。由圖3 可以看出，距離工作面越遠，區段運輸平巷的圍巖變形量也就越大，符合圍巖分布特征；在距離綜采工作面250 m 時區段運輸平巷的兩幫圍巖變形量達到了280 mm，符合數值模擬實驗中兩幫變形量最大的特征，也在巷道變形量接受范圍之內，頂底板的變形量較小，在距離3109 綜采工作面250 m 長度時變形量保持在100 mm 以內，也符合數值模擬試驗中頂底板由于支護優化其圍巖應力較小的特征；頂底板移近量曲線以及兩幫移近量曲線的變化率也呈現下降的趨勢，表明隨著工作面的不斷推進，區段運輸平巷的圍巖應力影響將受綜采工作面采動的影響越來越小，這極大地增強了區段運輸平巷的巷道圍巖穩定性。根據現場工業性試驗可以看出，支護優化設計后整體區段運輸平巷巷道的變形量保持在300 mm 范圍之內，在實際生產過程中這一數值基本不會影響到綜采工作面的正常生產過程，區段運輸平巷可以保證在整個工作面的推進過程中發揮它的基本作用[3]。因此，通過區段運輸平巷支護優化后的現場工業性試驗可以看出，這次優化設計的支護效果十分可觀，基本滿足了設計要求，實現了對區段運輸平巷圍巖變形的控制。

圖3 3109 工作面圍巖變形量結果示意圖

5 結語

通過對3109 綜采工作面推進過程中開采擾動對運輸順槽造成的破壞原因進行分析研究，對運輸順槽進行了巷道支護優化設計。根據現場工業性實驗可以看出，錨桿錨索參數以及支護方式的改進，對巷道支護強度的改善有著極大的影響。優化過后的運輸順槽圍巖變形情況較小，基本可以確保在后續綜采工作面推進過程中的正常使用，這為煤礦企業節省了支護成本，也為類似巷道的支護優化提供了參考借鑒。