綜放工作面順槽巷道支護優化研究與應用

李勝利 王 寧 王全明

（1.山西科技學院，山西 晉城 048000；2.晉能控股煤業集團趙莊二號井，山西 長治 046600）

1 工程背景

晉能控股煤業集團趙莊二號井位于長治市長子縣，目前開采3#煤層，煤層埋深480～530 m，煤層均厚4.26 m。煤層頂板為深灰色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖；底板為黑色泥巖、砂質泥巖，深灰色粉砂巖。井田構造復雜程度為中等[1]。原有順槽巷道支護設計未根據受不同采動影響的情況進行區分，而是采用同一種支護設計，在某種程度上是不夠科學合理的[2-3]。

圖1 為原綜放工作面順槽巷道支護設計圖。頂板支護采用型號為MSGLW-500/22×2400 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距1.2 m，間距1.05 m，每排5根錨桿，錨固力不小于150 kN[1]；錨索采用SKP22-1/1720-6400 型1×19 股高強度低松弛預應力鋼絞線，預緊力不小于300 kN，一排2 根，排距2.4 m。巷幫支護采用型號為MSGLW-500/22×2400 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距1.2 m，每排4 根，上面3根間距0.9 m，第三根與第四根錨桿間距0.8 m，錨固力不小于150 kN。非回采側巷幫中部增設幫錨索，采用SKP22-1/1720-5400 型1×19 股高強度低松弛預應力鋼絞線，預緊力不小于250 kN，一排1 根，排距2.4 m。

圖1 順槽巷道原支護設計圖（mm）

2 巷道支護優化方案

巷道支護設計應以現有支護參數情況和礦壓觀測數據、工作面地質資料以及周邊地質參數測試數據和工程實踐經驗作為支護參數確定的依據[4-6]，并在實踐過程中不斷驗證優化。

2.1 煤樣力學性質

選取2305 運料橫川和2305 運料聯絡巷采集煤樣進行試驗。3#煤層煤樣用濕式加工法加工成直徑50 mm、高100 mm 的圓柱體標準試件，置于通風較好地點放置一周自然風干。煤樣三軸壓縮試驗圍壓最大值取20 MPa。圍壓按梯度變化，其大小分別為：0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa。

如表1 所示為3#煤層煤樣相應圍壓下彈性模量等力學參數。由表1 及圖2 不同圍壓下試樣結果可以看出，煤樣峰值強度、彈性模量的總體變化趨勢是隨著圍壓的提高而增大。由于煤樣結構松散，內部存在多個節理，自身孔隙率較大，剛度較小。

圖2 煤樣彈性模量與圍壓關系曲線

表1 煤樣力學參數

表2 為巴西劈裂測得的3#煤層煤樣抗拉強度，平均抗拉強度為0.57 MPa。

表2 煤樣抗拉強度

分 別 計 算 圍 壓0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa 下試樣的最大主應力，繪制σ1與σ3的關系曲線，如圖3 所示。利用最小二乘法擬合求得二者之間關系式為：σ1=4.082σ3+13.68，殘差平方R2=0.984 6，擬合結果較好，線性關系明顯。可計算得到3#煤層煤樣黏聚力為3.39 MPa 和內摩擦角為37.3°。

圖3 煤樣σ1 ～σ3 關系回歸曲線

2.2 巷幫支護參數計算

支護巷幫所需提供的支護力計算公式為：

為保持巷幫穩定，施加在巷幫的支護力應滿足P≥δmax，可得出錨桿的間距計算公式為：

式中：Q為幫錨桿錨固力，150 kN；a1為幫錨桿的間距，m；b1為幫錨桿的排距，1.2 m；r為煤的容重，13.9 kN/m3；d為巷道的半寬，2.4 m；H為巷幫的高度，3.3 m；γ為煤層的內摩擦角，37.3°；f為煤層普氏系數0.6～1.7；k1為錨桿安全系數，一般取1.5～3。

通過選取不同的f值得出計算結果，詳見表3。可以得出，煤體強度越高，巷幫支護所需提供的支護力越小。在煤體普氏系數取最小值0.6 情況下，錨桿間距計算結果為1.219 m。

表3 順槽巷道錨桿間距計算結果表

2.3 優化參數選擇

根據上述計算結果，并結合在西盤區2303、2301、2309、2307 等多個綜放工作面的順槽巷道礦壓觀測情況，認為受單次采動影響或不受采動影響的順槽巷道支護參數可在現有支護設計基礎上進行優化。

順槽巷道支護參數優化后如圖4。優化內容為對順槽巷幫支護參數進行優化調整，巷幫支護錨桿由原設計4 根減少為3 根，錨桿間距由0.9 m 調整為1.15 m，幫頂角錨桿距頂板距離由0.3 m 調整為0.35 m，巷幫最下部一根錨桿距底板高度0.65 m，并配合W 鋼托盤支護巷幫；鋼帶長度由1.9 m 調整為2.4 m；其余參數不做調整。頂板支護參數不變。

圖4 順槽巷道優化后支護設計圖（mm）

3 現場工程應用

為驗證順槽巷道支護設計優化后支護效果，在2312 綜放工作面膠帶進風順槽選擇長度200 m 巷道進行工程試驗。按優化后順槽巷道支護參數進行施工，并在此段區域和原設計段設置綜合測站、頂板離層儀等，每天進行觀測，用于進行數據對比。

如圖5、圖6 所示，為2312 綜放工作面回采過程中原支護段與優化段測站圍巖變形量情況。通過對比發現，支護參數優化段與原支護設計段巷道圍巖變形情況相近，未出現巷幫失穩情況，保證了安全生產，已進一步在2311、2325 等綜放工作面推廣應用。

圖5 原支護段與優化段測站兩幫移近量

圖6 原支護段與優化段測站頂底移近量

通過支護設計優化，較原巷道設計每排支護可減少2 根錨桿，按照一個掘進隊正常掘進期間每天煤巷進尺9 排（10.8 m）計算，可減少施工錨桿18根/天，節約支護時間約1.2 h；提高工效的同時，節省材料費用支出，按照每根錨桿58 元，錨固劑8.8元計算，每米掘進進尺可節省支護材料費用111.3 元。

4 結語

（1）通過力學實驗，得出3#煤層煤樣峰值強度、彈性模量的總體變化趨勢是隨著圍壓的提高而增大，煤樣黏聚力3.39 MPa，內摩擦角37.3°，平均抗拉強度為0.57 MPa。

（2）對受單次采動影響或不受采動影響的順槽巷道支護參數進行優化，優化調整巷幫支護參數，幫錨桿間距由0.9 m 調整為1.15 m。每條巷道每天可節約支護時間1.2 h，每米進尺可節省材料費111.3 元，減少礦井的生產成本，有效提高工效。

（3）通過現場實測對比發現，受采動影響時支護設計優化段與原支護設計段巷道圍巖變形情況相近，未出現巷幫失穩情況，經過實踐檢驗，效果良好。