路 遙

（山西煤炭運銷集團蓋州煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 概況

蓋州礦9#煤層結構簡單，煤厚平均1.62 m，傾角為0～7°，地面標高為+992～ +1080 m，井下標高為+890～ +960 m，煤層頂板為細砂巖、灰?guī)r等，底板為砂質泥巖和灰?guī)r。9103 回風巷沿9#煤底板掘進，埋深平均100 m，斷面尺寸為4200 mm×2600 mm，巷道掘進長度為1815 m，巷道斷面形狀與支護方式如圖1。9103 回風巷原采用錨網+錨索+鋼筋梯聯(lián)合支護，支護參數(shù)如下：

頂板支護：螺紋鋼錨桿規(guī)格20 mm×2400 mm，間排距1000 mm×1000 mm，每排5 根，錨固長度1300 mm。錨索規(guī)格為17.8 mm×6300 mm，間排距為2000 mm×3000 mm，每排2 根，錨固長度為1755 mm。

巷幫支護： 18 mm×2200 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距1000 mm×1000 mm，每排3 根錨桿，錨固長度為600 mm。

圖1 原9103 回風巷支護示意圖（單位：mm）

對于巷道支護而言，最重要的就是支護參數(shù)的確定[1]。若支護強度過低則無法保證巷道的安全；支護強度過高則增加支護耗時及支護成本，不利于礦井的高效生產[2-5]。合理的支護參數(shù)在確保圍巖穩(wěn)定前提下可降低巷道支護成本[6]。通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)9103 回風巷原支護存在以下可以進一步優(yōu)化的環(huán)節(jié)：支護強度過高，支護耗時長，制約巷道掘進效率；支護系統(tǒng)整體性較差；回采巷道錨桿、錨索的安裝位置與布置方式需要進一步優(yōu)化。

2 回采巷道支護方式與支護參數(shù)優(yōu)化分析

2.1 支護方案設計

9#煤層厚度小、埋深淺，圍巖條件較好，結合9103 回風巷工程地質條件，提出五種支護方案[7]，支護材料與巷道原支護方案一致，支護參數(shù)分別為：

方案1：頂錨桿間排距1000 mm×1000 mm，布置形式5-5-5；頂錨索間排距2000 mm×3000 mm，布置形式為2-2-2，即布置方式與巷道原支護方式一致。

方案2：頂錨桿間排距1000 mm×1000 mm，布置形式5-3-5；頂錨索間排距2000 mm×3000 mm，布置形式為2-2-2。

方案3：頂錨桿間排距1000 mm×1000 mm，布置形式5-4-5；頂錨索間排距2000 mm×2000 mm，布置形式為2-1-2。

2）給排水控制系統(tǒng)構建與應用過程中，若能重視PLC使用，則有利于提升該系統(tǒng)的智能化控制水平，還可以避免給排水管線布置出現(xiàn)過于復雜的現(xiàn)象；

方案4：頂錨桿間排距1000 mm×1000 mm，布置形式4-4-4；頂錨索間排距2400 mm×2200 mm，布置形式為2-1-2。

方案5：頂錨桿間排距1000 mm×1000 mm，布置形式為5-4-5；頂錨索布置在巷道中部，排距2000 mm，布置形式為1-1-1。

2.2 支護方案優(yōu)選分析

采用數(shù)值模擬法對不同支護方案時巷道圍巖豎向應力、頂?shù)装遄冃瘟恳约皟蓭妥冃瘟窟M行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果優(yōu)選出最佳巷道支護方案。

2.2.1 巷道豎向應力

表1 巷道豎直方向最大應力

圖2 圍巖豎直最大應力變化曲線

從表1 及圖2 可以看出：

（1）巷道支護采用1～3 支護方案時，豎向最大應力逐漸降低，方案3 較方案1 時降低0.1 MPa。

（2）采用方案4 時圍巖內豎向應力較方案3 有所增加，增長幅度為0.24 MPa；采用方案5 時圍巖內豎向應力又開始降低，較方案4 降低0.06 MPa。

2.2.2 巷道頂?shù)装逡平?/p>

表2 巷道頂?shù)装逡平?/p>

圖3 頂?shù)装逡平孔兓€

從表2 及圖3 可看出：

（1）巷道支護由方案1 變化到方案3 時，頂?shù)装逦灰屏砍手饾u降低趨勢，變化幅度不明顯。

（2）方案4 相較方案3 巷道頂?shù)装逡平吭黾?.4 cm，變化相對明顯。

（3）方案5 相較方案4 巷道頂?shù)装逡平拷档?.3 cm，降低幅度較小。

（4）采用方案3 支護時頂?shù)装逡平孔钚?，?6.8 cm；當巷道支護采用方案4 時，其頂?shù)装逡平孔畲?，?8.2 cm，兩者之間相差1.4 cm。不同的支護方案下巷道頂?shù)装逦灰屏烤诜€(wěn)定范圍內。

2.2.3 巷道兩幫移近量

表3 為不同支護方案巷道兩幫移近量，圖4 為巷道兩幫移近量變化曲線。從表3 及圖4 可看出：

（1）巷道支護采用1～3 支護方案時，巷道兩幫移近量呈降低趨勢，減小幅度相對較小，方案3較方案1 時巷幫位移量減小了0.8 cm。

（2）方案4 相較方案3 巷道兩幫移近量增加了1.5 cm，增加幅度較大。

（3）當巷道支護由方案4 變化到方案5 時，巷道兩幫移近量減小了0.3 cm，減少幅度較小。

由此可得，當巷道處于支承壓力峰值時，巷道支護采用方案3，兩幫移近量最小，為15.8 cm；當巷道支護采用方案4 時，其兩幫移近量最大，為17.3 cm，兩者之間相差1.5 cm。由此可得，不同支護方案對巷道的兩幫移近量影響較小，即使巷道支護采用方案4，巷道的兩幫移近量仍處于一個合理的范圍。

表3 不同支護方案巷道兩幫移近量

圖4 兩幫移近量變化曲線

2.3 支護方案確定

通過上述分析得知巷道支護采用方案3 時，巷道豎直方向最大應力、巷道頂?shù)装逡平恳约皟蓭鸵平孔钚。謩e為9.44 MPa、16.8 cm、15.7 cm；而采用方案4 時上述參數(shù)則最大，分別為9.68 MPa、18.2 cm、17.3 cm，最大與最小分別相差0.24 MPa、1.4 cm、1.6 cm。由此可得，不同的支護方案對9103 回風巷的支護效果影響較小，即使9103 回風巷支護采用方案4，仍然能夠保證巷道在工作面回采期間的安全穩(wěn)定。最終選用方案4 作為巷道支護方案，具體方案4 設計斷面如圖5。

圖5 方案4 巷道支護示意圖（單位：mm）

3 工業(yè)試驗分析

將優(yōu)選得到的巷道支護方案進行現(xiàn)場工業(yè)試驗，即將巷道頂板錨桿布置形式由5-5-5 改成4-4-4，頂板錨索布置形式由2-2-2 改為2-1-2，其余支護參數(shù)保持不變，巷道圍巖支護較原支護每天減少2 h支護時間?，F(xiàn)場應用后，頂板巖層在掘進支護完成后下沉量僅為20 mm，處于安全范圍內。

9103 回風巷長1815 m，采用優(yōu)化支護方案可減少1815 套錨桿、605 套錨索使用量。錨桿節(jié)省50 元/套×3465 套=173 250 元，錨索節(jié)省140 元/套×605 套=84 700 元，共節(jié)約257 950 元。

4 結 語

（1）9103 回風巷埋深淺，巷道圍巖條件良好，巷道原采用的支護方案支護強度過高，會增加支護成本且制約掘進效率。根據(jù)巷道圍巖巖性參數(shù)，采用數(shù)值模擬手段對回風巷支護方案進行優(yōu)化，通過分析巷道圍巖應力、變形、塑性區(qū)分布等得到巷道頂板錨桿采用4-4-4 布置形式、錨索采用2-1-2 形式可確保巷道支護滿足安全生產需要。

（2）現(xiàn)場工業(yè)應用試驗也表明，采用優(yōu)化后的支護方案支護完成30 d 后巷道頂板下沉量僅為20 mm，頂板巖層穩(wěn)定；同時，9103 回風巷采用優(yōu)化后的支護方案較原方案減少支護投入257 950元。