陳國華

（西山煤電西曲礦，山西 古交030200）

引言

據統計，大部分煤礦事故的發(fā)生是由于對巷道圍巖控制不佳、瓦斯聚集以及透水等所導致。其中，巷道圍巖控制效果不佳導致巷道變形嚴重，究其原因在于對巷道破壞規(guī)律認識不到位以及支護方案欠佳等[1]。錨桿支護作為一種主動巷道支護手段，由于其成巷速度快、支護成本低被廣泛應用。但是，巷道錨桿支護設計過于理論化會導致支護效果無法滿足實際生產技術。本文將結合數值仿真模擬的方法對某礦巷道的錨桿支護參數進行優(yōu)化設計，以達到最佳支護效果。

1 工程概況

某煤礦可開采煤層包括有3號、9號和15號煤層，設計初期的生產能力為30萬t/a，本文以3號煤層為例展開研究。3號煤層所屬工作面煤層平均厚度為4.36 m，普式硬度為1.2，且工作面煤層傾角較小。經探測，3號煤層所屬礦井為低瓦斯礦井。為保證3號煤層工作面巷道圍巖控制效果，對其頂底板情況進行研究，具體如表1所示。

表1 3號煤層工作面頂底板情況

經探測可知：3號煤層所屬工作面的最大涌水量為320 m3/h。3號煤層工作面所斷面形狀為梯形，斷面上寬度值為2.4 m，下寬度值位3.6 m，巷道高度為2.1 m，在實際掘進工作中發(fā)現，巷道掘進至30 m的位置出現較為嚴重的冒頂、片幫現象的發(fā)生。

其中，巷道頂板下沉量較大并處于連接網的位置被撕開，同時工字梁被壓彎；而且，隨著巷道頂板下沉現象的加劇繼而影響巷道掘進的擾動和工作面的回采效率。總的來說，在當前支護方式下3號煤層工作面巷道頂板和兩幫被完全破壞。

2 巷道支護參數的優(yōu)化

3號煤層工作面巷道原采用了噴射混凝土支護、錨桿支護以及錨噴聯合支護的手段，但是由于各個支護環(huán)節(jié)參數設計不合理導致最終對巷道圍巖的控制效果不佳[2]。因此，本文結合數值模擬仿真分析的手段著重對錨桿支護和錨噴聯合支護的參數進行優(yōu)化。

2.1 巷道錨桿支護參數的優(yōu)化

綜采工作面巷道支護參數主要包括有錨桿直徑、長度以及間排距等。本文采用錨桿正交試驗的方式在不同錨桿參數組合下對巷道圍巖控制效果（頂板下沉量、底鼓量、巷道左右兩幫的移近量等）進行對比分析[3]。結合3號煤層工作面原錨桿支護參數，選擇錨桿正交試驗的參數如下：錨桿直徑為18 mm、20 mm、22 mm、25 mm；錨桿長度為1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm、2 400 mm、錨桿間排距為700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm。在此基礎上對64種不同的支護效果進行對比分析。經仿真模擬針對下沉量、底鼓量以及兩幫移近量為考核指標，并分別得出上述三個指標對應的支護參數，具體如表2所示。

表2 巷道圍巖各參數最佳控制效果對應的支護參數mm

而且，經模擬仿真分析可得：錨桿直徑為25 mm、錨桿長度為1 800 mm，錨桿間排距為700 mm×700 mm時，對應頂板的下沉量為23.868 mm，底鼓量為25.675 mm，兩幫的移近量為52.363 mm。

2.2 巷道錨噴支護參數的優(yōu)化

所謂錨噴支護指的是錨桿支護與噴射混凝土的聯合支護手段，錨噴支護參數的優(yōu)化思路與錨桿支護參數的優(yōu)化思路相同。所選擇錨噴支護參數中錨桿支護參數如下：錨噴直徑為18 mm、20 mm、22 mm、25 mm；錨噴長度為1 800 mm、2 000 mm、2 200 mm、2 400 mm、錨噴間排距為700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm。在此基礎上對64種不同的支護效果進行對比分析。經仿真模擬針對下沉量、底鼓量以及兩幫移近量為考核指標，并分別得出上述三個指標對應的支護參數，具體如表3所示。

表3 巷道圍巖各參數最佳控制效果對應的支護參數

綜合分析，錨噴支護中參數中最佳錨桿支護參數如下：錨桿直徑為18 mm、錨桿長度為1 800 mm，錨桿間排距為900 mm×900 mm時，對應頂板的下沉量為20.119 mm，底鼓量為24.143 mm，兩幫的移近量為41.363 mm。

3 巷道錨桿支護參數的確定

經上述數值模擬分析可知，3號煤層工作面的最佳錨桿支護參數中，錨桿間排距為900 mm，錨桿選用直徑為18 mm的螺紋鋼筋，且錨桿長度為1 800 mm。

針對工作面頂板冒落和片幫的現象，采用金屬網片支護的方式，具體網片的規(guī)格如下：網孔規(guī)格為100 mm×100 mm，頂板金屬網的尺寸為4.2 m×1.3 m；兩幫金屬網的尺寸為2.6 m×1.3 m[4]，而且，頂板金屬網和兩幫金屬網的搭接長度為100 mm。

除此之外，在錨桿、金屬網支護的基礎上采用C30混凝土對工作面的噴射加固，噴射工序分兩步進行，每次噴射50 mm，總共噴射100 mm。

3號煤層工作面巷道的支護斷面及參數見圖1。

圖1 工作面巷道斷面及支護示意圖（單位：mm）

4 結論

采用上述優(yōu)化后的支護參數對3號煤層工作面進行支護設計后具有以下明顯效果：

1）經對3號煤層工作面支護參數進行優(yōu)化設計后大大改善了作業(yè)人員的工作環(huán)境，降低了現場人員的勞動強度，提升了工作面的運輸效率和液壓支架的回撤速度[5]；

2）與原支護方案相比較而言，錨桿支護參數經優(yōu)化后大大提升了整個工作面巷道的利用率；

3）與原支護方案相比較而言，對錨桿支護參數優(yōu)化設計后整個工作面的支護成本節(jié)約了20%。