工作面回風順槽支護方案設計及支護效果分析

張 蕾

（西山煤電集團屯蘭礦安監處監察隊， 山西 太原 030206）

引言

影響煤炭產量及生產效率的因素眾多，主要包括有煤炭綜采工作面大型機電設備的自動化程度、綜采工作面的支護效果以及采煤技術等。就綜采工作面的支護而言，錨桿支護技術較其他支護技術已經處于領先，而且錨桿支護技術為將來綜采工作面支護的發展方向。合理的支護設計是煤礦安全生產的前提，不僅能夠提高煤炭產量，而且還能夠保證作業人員的安全。支護設計的合理性和可行性一方面取決于支護理論的先進性，另一方面與工作面圍巖、煤層以及工作面地質、水文條件相關。因此，綜采工作面巷道圍巖的支護設計是技術人員在不斷創新、實踐、再創新的努力下不斷完善而成，使其符合工作面的圍巖、煤層的特征，為取得良好的支護效果提供基礎[1-2]。本文以應用最廣泛的錨桿支護技術為研究對象，以屯蘭礦運輸順槽為載體，針對其所存在的支護問題對原有支護設計進行優化并對優化后的支護效果進行分析。

1 錨桿支護設計原則

簡單地說，工作面支護的主要目的是控制圍巖的變形。屯蘭礦運輸順槽所采用的支護方式為錨桿支護，為確保優化后的支護效果有明顯提升并滿足實際生產的需求，在優化過程中也需遵循錨桿支護設計的原則。

1.1 高強支護原則

設計時需確保錨桿具有足夠的抗拉強度、預應力和錨固力。為保證巷道圍巖的承載能力，需提升錨桿的自主支護能力，即便在實際支護中錨桿出現變形，也要求錨固段處于相對穩定的狀態。

1.2 柔性讓壓原則

由于巷道圍巖的強度較低，一旦有來壓，其塑形變形較大。當采用錨桿支護方式時無法滿足圍巖變形大的要求，從而失去錨桿應有的支護效果。因此，針對軟巖巷道應選擇高強度高延伸率的錨桿，使得錨桿能夠實現主動支護的效果。

1.3 三位一體原則

工作面中兩肩角、兩幫角應力集中的現象較為嚴重。因此，設計錨桿支護的相關參數時應將頂板、兩幫以及底板之間的相互影響考慮到其中，尤其是兩肩角和兩幫角的支護為關鍵[3]。

2 順槽原有支護分析

2.1 工作面概述

本文所研究煤礦的生產能力為60萬t/a，目前主要開采4號煤層和5號煤層。其中，4號煤層屬于薄煤層；5號煤層的平均厚度為5.08 m。本文所研究的工作面長度為713 m，傾向長度為146 m，工作面直接頂為泥巖，老頂為砂巖。其中的順槽為矩形斷面，斷面高為3.2 m，寬為5 m，工作面煤層傾角范圍為2°～5°。運輸順槽的頂板為層狀復合頂板，煤層上巖體為軟硬交替層狀巖石，并伴有少量煤矸石。在實際開采過程中，該工作面受地質條件、相關支護參數的影響，出現了巷道頂板下沉、兩幫收縮以及支護體被破壞的現象。

2.2 原有支護方案分析

該工作面采用的支護方式為錨桿支護，其頂板和兩幫的原支護參數如下：

1）頂板支護參數：錨桿間的排距為1 000 mm×1 500 mm，每排共有4根錨桿。所選錨桿為左旋無縱筋螺紋鋼筋，直徑為20 mm，長度為2 m；采用兩支不同規格的樹脂藥卷固定，一支型號規格為K2335，另一支規格為K2360。錨索間的排距為1 000 mm×3 000 mm；所選錨索為鋼絞線錨索，直徑為18.9 mm，長度為7 300 mm；錨索采用三支樹脂藥卷進行固定，一支型號為K2335，另外兩支型號為K2360；錨索托梁采用長度為0.5 m的工字鋼，垂直不至于巷道中。

2）兩幫支護參數：錨桿排距為1 500 mm，錨桿與錨桿之間的距離為1 000 mm，每排共有3根錨桿；所選錨桿的類型為左旋螺紋錨桿，直徑為18 mm，長度為1 800 mm；采用兩支規格型號為K2360的樹脂藥卷進行固定。

2.3 原支護方案下順槽變形

本文通過工作面日常生產中頂板的相對位置進行記錄，得出如圖1所示隨著時間的推移頂板下沉的監測結果以及如圖2所示頂板的下沉速度。

圖1 工作面運輸槽頂板下沉量

圖2 工作面運輸槽頂板下沉速度

分析圖1可知，工作面開采到第12 d后頂板的變形逐漸趨于穩定，即開采12 d后頂板的下沉量趨于最大；分析圖2可知，開采的第2 d頂板的下沉速度最大。造成上述現象的主要原因為支護抵抗頂板垂直載荷的效果較差，導致工作面頂板的下沉量較大。因此，需對工作面運輸槽的原有支護方案進行優化并改進。

3 工作面支護參數的優化

3.1 順槽錨桿支護參數的優化設計

由于錨桿固定時外露的長度要求為0.1 m，錨桿的有效長度為1.8 m。因此，錨桿的總長度最短為1.9 m。錨桿進入巖層內的深度為500 mm，故設計錨桿長度為2.5 m。

所選錨桿為直徑20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，根據該型號錨桿的相關參數計算得出錨桿承受煤體的重力，如式（1）所示[4]：

式中：G代表錨桿承受煤體的重力；k代表動壓影響系數，k=0.018 4；D代表錨桿的排距，取D=3.3 m；S代表冒落包絡線內巖體的截面積，S=1.8 m2；γ代表頂板巖體的容重，取γ=2 kN/m3[5]。將上述參數帶入式（1）得：錨桿所承受煤體的重力為173.55 kN。

由于所選錨桿的屈服強度為65 kN，則每排錨桿的根數為173.55/65=4.67。則，取每排錨桿的根數為5根。

綜上所述，該工作面順槽的支護參數如下：每排錨桿數量為5根，錨桿選用直徑為20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，且錨桿間排距為900 mm×1 400 mm。

根據上述錨桿的選型，根據錨索計算得出錨索的參數優化結果：所選的錨索為直徑為20 mm低松弛鋼絞線，型號為L8300；錨索間的排距為1 600 mm×1 400 mm，錨固長度為1.5 m。

3.2 優化效果分析

將優化后的支護方案應用于工作面順槽中，并對應用后的效果進行跟蹤監測，監測結果如圖3所示。

圖3 優化支護方案下頂板下沉量

表1 優化前后支護效果對比分析 mm

除了對頂板下沉量進行監測外，還對兩幫的收斂情況進行了對比分析，如表1所示。

分析表1可知，對原支護方案進行優化后，在開采過程中頂板的下沉量、兩幫收斂量兩項數據均有很大的改善，說明優化后的支護方案支護效果極佳。

4 結語

工作面的支護效果直接決定綜采工作面生產的安全性，進而決定著綜采工作面的生產效率。在實際開采中，應綜合考慮工作面的地質條件、水文條件、煤層特征等因素，確保所設計的支護方案能夠達到最佳的支護效果，為煤礦安全、高效生產奠定基礎。