田志敏， 王曉龍

（同煤集團(tuán)馬脊梁礦， 山西 大同 037002）

隨著開采深度的延伸，地質(zhì)情況與生產(chǎn)條件逐漸復(fù)雜，但是多數(shù)煤礦的巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)仍然使用不夠先進(jìn)的工程類比法，造成設(shè)計(jì)思路保守，支護(hù)強(qiáng)度大于支護(hù)需求，既降低了掘進(jìn)支護(hù)的效率，又增加了企業(yè)成本。

為了解決這一問題，本文對巷道支護(hù)進(jìn)行研究、對原有支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化，力爭在滿足支護(hù)要求的同時(shí)盡量降低成本。

1 工作面概況

1.1 工作面概況

同煤集團(tuán)某礦8220 工作面2220 巷為研究對象，該工作面開采石炭系煤層，煤層埋深平均500 m。2220 巷全長1 614.5 m，采用矩形斷面，寬5.4 m，高3.6 m。巷道采用錨桿+錨索+W 型鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)（如圖1 所示），具體參數(shù)如下。

頂板支護(hù)：支護(hù)方式為錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，7 根排間距為900 mm×900 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，參數(shù)為Φ20 mm×2400 mm，最外側(cè)錨桿與巷道兩幫相距300 mm，并與兩幫成10°傾角；頂板鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，配合鋼帶和碟形墊；5 根高預(yù)應(yīng)力錨索，參數(shù)為Φ21.8 mm×8 000 mm，間距2 700 mm，其中中間三根錨索排距1600mm，垂直布置；最外側(cè)兩角錨索位于巷道頂角處，距相鄰錨索1 100 mm，垂直向外傾斜20°布置，配套250 mm×250 mm×16 mm 鋼托板。

8220 工作面?zhèn)葞停ㄗ髱停┲ёo(hù)：使用Φ20 mm×2 000mm 玻璃鋼錨桿4 根，間排距900 mm×900 mm，其中最上側(cè)錨桿距頂板150 mm，且垂直向上傾斜10°，最下側(cè)錨桿距底板750 mm，鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，配合鋼帶和碟形墊。

右?guī)椭ёo(hù)：使用Φ18 mm×2 000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿4 根，間排距900 mm×900 mm，其中最上側(cè)錨桿距頂板150 mm，且垂直向上傾斜10°，最下側(cè)錨桿距底板750 mm，鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)，配合鋼帶和碟形墊。

底板支護(hù)：采用C25 混凝土鋪底，鋪底厚度200 mm。

圖1 2220 回采巷道支護(hù)布置圖（mm）

1.2 巷道變形破壞特征

圖2 2220 巷原支護(hù)條件下巷道變形破壞特征

如圖2 所示為一組2220 巷原有支護(hù)條件局部照片。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況可以看出，巷道頂板和兩幫都已經(jīng)出現(xiàn)了煤體邊掘邊落的現(xiàn)象，巷道表面部分地方已經(jīng)明顯可以看出不平整。對頂板產(chǎn)生了切割，一定程度上破壞了頂板完整性，且小段工字鋼護(hù)表面積較小，僅能提供較大抗彎剛度與強(qiáng)度，認(rèn)為其支護(hù)效果不如錨索大托板。分析總結(jié)2220 巷變形破壞特征如下：

現(xiàn)有支護(hù)中，頂板錨索布置過于集中，難以與錨桿協(xié)同支護(hù)。角錨索端頭護(hù)表構(gòu)件采用小段工字鋼，工字鋼腹板平行巷道頂板布置，導(dǎo)致兩側(cè)工字鋼腿

1）2220 巷為頂煤厚度4m 的全煤巷道，巷道頂板和兩幫煤體均比較軟弱，因此，巷道支護(hù)成本高、難度大、進(jìn)度慢，同時(shí)在掘進(jìn)過程中可能受到復(fù)雜地質(zhì)條件和應(yīng)力變化，使得巷道應(yīng)力集中，導(dǎo)致圍巖變形。

2）2220 巷煤層屬石炭系，老頂是堅(jiān)硬的砂礫巖，支撐壓力峰值相對較大，同時(shí)由于受綜放工藝影響，工作面揭露空間大，使得頂板活動空間增加，應(yīng)力影響范圍增加，導(dǎo)致基本頂懸臂梁結(jié)構(gòu)的彎矩加大，增大裂隙帶高度、增大上覆巖層冒落高度。而且隨著巷道掘進(jìn)、工作面回采的不斷推進(jìn)，受力狀態(tài)還在發(fā)生變化，給支護(hù)工作帶來了更大的困難。

3）服務(wù)期間巷道穩(wěn)定性要求高

為了保證回采工作的順利進(jìn)行，對巷道的可靠性、穩(wěn)定性有較高的要求，因此支護(hù)質(zhì)量必須得到保障。2220 回采巷道的維護(hù)從工程的角度來說，對巷道的要求較高，由于巷道斷面較大，且應(yīng)保證整個(gè)回采過程中的巷道穩(wěn)定性，所以在正常生產(chǎn)要求的前提下，不允許巷道有大的表面位移。

2 2220 巷優(yōu)化支護(hù)方案

2.1 方案一

頂板錨索數(shù)量減少為3 根，間距不變，長度減小為7.0 m，每幫增加一根錨桿，減小兩幫錨桿支護(hù)排距為0.75 m，如圖3 所示。

頂板支護(hù)：將原支護(hù)方案中錨桿間排距改為900 mm×800 mm，碟形墊尺寸選擇增大，錨索長度改為7 000 mm 高預(yù)應(yīng)力錨索3 根，間距2 700 mm，排距1 600 mm，垂直布置，配套300 mm×300 mm×16 mm 鋼托板。

圖3 2220 巷優(yōu)化支護(hù)方案一

兩幫支護(hù)：將原支護(hù)方案中玻璃鋼錨桿間排距改為900 mm×750 mm，最下側(cè)錨桿距底板改為450 mm，垂直向下傾斜10°，掛塑料網(wǎng)并配套相應(yīng)托板。右?guī)停ǚ枪ぷ鱾?cè)幫）將原支護(hù)方案中錨桿改為5 根，間排距900×750 mm，最下側(cè)錨桿距底板距離改為450 mm，垂直向下傾斜10°，鋪設(shè)Φ4 mm×100 mm×100 mm 菱形金屬網(wǎng)，采用450 mm×220 mm×4 mm W 型鋼護(hù)板壓網(wǎng)，配套相應(yīng)鋼托板。

底板支護(hù)：采用C25 混凝土鋪底，鋪底厚度200 mm。

2.2 方案二

優(yōu)化頂板錨索布置方式為每排兩根，間距3.2 m，長度減小為7.0 m，加長兩幫錨桿支護(hù)為2.4 m，如下頁圖4 所示。

頂板支護(hù)：將原支護(hù)方案中錨桿間排距改為900 mm×800 mm，碟形墊尺寸選擇增大，錨索長度改為7 000 mm，數(shù)量2 根。

兩幫支護(hù)：工作面?zhèn)葞兔颗挪捎忙?0mm×2400mm玻璃鋼錨桿4 根，間排距900 mm×900 mm，其中最上側(cè)錨桿距頂板150 mm，垂直向上傾斜10°，最下側(cè)錨桿距底板750 mm，垂直向下傾斜10°，掛塑料網(wǎng)并配套相應(yīng)托板。非工作側(cè)幫每排采用Φ18 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿4 根，間排距900 mm×900 mm，其中最上側(cè)錨桿距頂板150 mm，且垂直向上傾斜10°，最下側(cè)錨桿距底板750 mm，垂直向下傾斜10°，鋪設(shè)Φ4 mm×100 mm×100 mm 菱形金屬網(wǎng)，采用450 mm×220 mm×4 mmW 型鋼護(hù)板壓網(wǎng)，配套相應(yīng)鋼托板。

底板支護(hù)：采用C25 混凝土鋪底，鋪底厚度200 mm。

圖4 2220 巷優(yōu)化支護(hù)方案二（mm）

2.3 方案三

優(yōu)化頂板錨索布置方式為每排兩根，間距3.2 m，頂板錨索長度減小為7.0 m，每幫增加一根錨桿，減小兩幫錨桿支護(hù)排距為0.75 m，見圖5：

頂板支護(hù)：將原支護(hù)方案中錨桿間排距改為900 mm×800 mm，碟形墊尺寸選擇增大，錨索長度改為7 000 mm，數(shù)量2 根。

兩幫支護(hù)：工作面?zhèn)葞兔颗挪捎忙?0×2 000 mm玻璃鋼錨桿5 根，間排距900 mm×750 mm，其中最上側(cè)錨桿距頂板150 mm，垂直向上傾斜10°，最下側(cè)錨桿距底板450 mm，垂直向下傾斜10°，掛塑料網(wǎng)并配套相應(yīng)托板。非工作側(cè)幫每排采用Φ18 mm×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿5 根，間排距900mm×750 mm，其中最上側(cè)錨桿距頂板150 mm，且垂直向上傾斜10°，最下側(cè)錨桿距底板450 mm，垂直向下傾斜10°，鋪設(shè)Φ4 mm×100 mm×100 mm 菱形金屬網(wǎng)，采用450 mm×220 mm×4 mmW 型鋼護(hù)板壓網(wǎng)，配套相應(yīng)鋼托板。

圖5 2220 巷優(yōu)化支護(hù)方案三

底板支護(hù)：采用C25混凝土鋪底，鋪底厚度200mm。

3 2220 巷優(yōu)化支護(hù)效果

通過FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值模擬，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果的比較，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)方案三優(yōu)化效果最好。圍巖變形對比參數(shù)如表1 所示。下頁為表2 為支護(hù)變更前后每米巷道支護(hù)材料費(fèi)用表。

表1 兩種支護(hù)方案巷道圍巖變形量對比 mm

從表1 和表2 中數(shù)據(jù)可以看出，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠有效降低頂板下沉量、底板鼓起量、兩幫位移量，改善巷道表面收斂。有效提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。同時(shí)，從優(yōu)化后的支護(hù)方案參數(shù)可以看出，錨桿錨索的消耗數(shù)量減少，節(jié)約了成本，縮短了支護(hù)所需要的時(shí)間。綜上所述，采用優(yōu)化方案，可以在保證安全的前提下，縮短工期、加快巷道掘進(jìn)速度、降低勞動強(qiáng)度、節(jié)約支護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)支護(hù)工藝的最優(yōu)化。

表2 支護(hù)變更前后每米巷道支護(hù)材料費(fèi)用表