高河礦回采巷道支護參數分析及優化

張云峰

（山西高河能源有限公司，山西 長治 047100）

隨著煤炭開采強度的不斷增大，回采速度不斷提高，粗放式的開采模式已經不適應現階段的市場需求，需進行精細化開采，降低成本，實現節能增效[1]。在井下工作面開采中，巷道是工作面開采及井田開拓的重要通道，礦井每年巷道掘進量達幾千米。現有的巷道支護密度過大，雖然可以保證巷道的安全穩定，但極大地影響了巷道掘進速度，且增加了巷道支護成本，造成浪費[2-3]。因此，針對回采巷道合理支護參數進行優化研究具有重要的現實意義。

1 工程概況

高河煤礦為設計生產能力6.0 Mt/a的特大型生產礦井，主采3#煤層，煤層平均厚度為6.08 m，傾角為0°～7°，開采工藝為綜合機械化放頂煤，全部垮落法管理頂板，回采巷道均沿煤層底板布置。W4302回風順槽臨近W4301工作面采空區，護巷煤柱為70 m。W4302回風順槽布置見圖1，東接+450 m水平南翼大巷，西為礦界保安煤柱線，南為W4302工作面未采區。工作面頂底板巖性見表1。W4302回風順槽設計斷面掘寬5 300 mm，掘高3 900 mm，毛斷面面積20.67 m2，凈寬5 200 mm，凈高3 700 mm，凈斷面面積19.24 m2，沿煤層底板掘進，鋪底150 mm，混凝土強度C30。

圖1 回采巷道地理位置平面

表1 工作面頂底板巖性

2 回采巷道支護參數理論計算

2.1 錨桿支護參數理論計算

高河能源公司使用直徑28 mm的鉆孔機具，適宜的錨桿直徑為18～24 mm。參照已掘回采巷道的圍巖控制情況，綜合考慮巷道維護效果、支護成本、施工機具等因素，高河能源公司以往選用直徑22 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿。

基于懸吊理論，以下式計算錨桿長度：

Lmg=kb+L1+L2

式中：Lmg為錨桿長度，m；k為安全系數，取2；L1為錨桿錨入穩定巖層的深度，取0.5 m；L2為錨桿的外露長度，取0.1 m；b為巷道冒落拱的高度，根據現場取0.66 m。

計算得到Lmg為1.92 m，因此設計采用長度為2.4 m的錨桿可滿足支護要求。

2.2 錨索支護參數理論計算

錨索長度Lms的計算公式如下：

Lms≥La+Lb+Lc+Ld

式中：La為錨索錨入較穩定巖層的厚度，取2.05 m；Lb為需要懸吊的不穩定巖層厚度，根據巷道頂板為2.18 m的頂煤，頂煤上方為2.2 m的砂質泥巖偽頂，由此確定Lb為4.38 m；Lc為上托盤及鎖具的厚度，取0.2 m；Ld為錨索需要外露的張拉長度，取0.35 m。

計算得到Lms為6.98 m，因此高河能源公司以往回采巷道施工采用長度為8.3 m的錨索可滿足支護需求。

錨索的數目通過下式計算確定：

式中：N為錨索的數目；P1為錨索的最低破斷力，取286.5 kN；W為被吊巖石自重，根據頂板巖層自重計算得到為323.5 kN。

計算得到N值為2.26，因此巷道斷面錨索的數目取3根。

由于巷道錨桿數目較多，間排距的設置對巷道支護成本有著重要影響，因此采用數值模擬手段對錨桿間排距進行優化。

3 巷道支護參數數值模擬研究

3.1 數值模型建立

以W4302工作面實際地質力學環境及周邊回采巷道空間為基礎，利用FLAC3D軟件建立整體尺寸為500 m×300 m×50 m的三維數值模型，X方向為W4302工作面布置方向，Y方向為工作面推進方向；基于實驗室試驗測定的煤巖物理力學參數（見表2），對各巖層賦參；邊界條件為底部邊界限制垂直位移、周部邊界限制水平移動，模型頂部施加均布載荷大小為12 MPa。

模型首先開采W4301工作面，采用分階段開挖、循環運算方式，每階段開挖10 m，對應數值計算1 000時步。然后再開掘W4302回風順槽，W4302回風順槽護巷煤柱為70 m，針對W4302回風順槽開始掘進，研究其不同錨桿間排距下的巷道變形量。

表2 煤巖物理力學參數

3.2 錨桿間排距對圍巖穩定性的影響

遵循單一變量原則，將錨桿直徑為22 mm、長度均為2.4 m、排距以及錨索的直徑、長度以及間排距取定值，分析錨桿間距分別為600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm時在W4302回風順槽布置階段以及W4302工作面回采階段內對圍巖變形破壞的影響，以W4302回風順槽無支護方式作為對比方案。

圖2 掘巷結束后錨桿間距變化對圍巖穩定性的影響

圖2中錨桿間距采用如上方案時，W4302回風順槽布置完成后頂板下沉量與兩幫移近量變化曲線，可看出與無支護方案相比，W4302回風順槽支護后圍巖位移量顯著降低，但在不同錨桿間距條件下，巷道頂板下沉量的差別不大，兩幫移近量隨錨桿間距減小而逐步降低。由此可以看出在W4302工作面未回采前，錨桿間距在600～1 000 mm內變化時對頂板穩定性影響較小，對幫部煤體穩定性的影響相對較大。

圖3 W4302工作面回采后錨桿間距對圍巖穩定性的影響

繼續分析在W4302工作面回采期間，錨桿間距對圍巖穩定性的影響，見圖3。表明W4302工作面回采后近工作面區域巷道圍巖位移量顯著增加。各模擬方案頂板位移曲線基本重合，表明錨桿間距未對巷道頂板變形破壞構成顯著影響；兩幫移近量隨錨桿間距減小而逐步降低，尤其是當錨桿間距超對800 mm 時，兩幫位移量降低明顯，錨桿間距低于800 mm時，兩幫移近量降低趨勢減弱。因此，綜合分析確定錨桿合理間距為800 mm。

模擬研究在錨桿間距為800 mm的前提下，排距分別為600 mm、900 mm、1 200 mm以及1 500 mm條件下圍巖變形破壞情況。由數值模擬結果可知W4302工作面回采后，隨錨桿間距減小巷道圍巖變形量逐步降低，但降低率逐步減小，當錨桿間距為900 mm減為600 mm后，圍巖變形量降低率并不明顯，綜合考慮錨桿排距為900 mm比較合理。

4 工業試驗

4.1 W4302支護方式

W4302回風順槽采用支護參數如下： 頂板采用長2.4 m、Φ22 mm，間排距為800 mm×900 mm的錨桿；幫部錨桿間排距為800 mm×900 mm。頂板錨索采用長8.3 m，Φ18.96 mm，間排距1 400 mm×900 mm，每排布置3根。巷道鋪底硬化厚度為150 mm，混凝土強度等級為C30，支護方式見圖4。

圖4 W4302回風順槽永久支護設計

4.2 W4302回風順槽圍巖變形監測

在W4302回風順槽圍巖布置監測點，每天監測巷道兩側和頂底板表面的圍巖變形量。通過處理數據并分析可知，回采巷道初始開掘10天內，兩幫變形速率最大，達到2.25 mm/d，10天后變形速率呈現波動性減小的變化趨勢，但兩幫整體移近量不斷增大，直至開挖60天后，兩幫移近量趨于穩定，變形速率趨近于0，兩幫累計移近量為90 mm，頂底板最終位移量為40 mm。現場監測結果表明，回采巷道頂板圍巖完整程度較高，不具有明顯的裂隙，支護效果較好，可以顯著控制頂板巖體變形破壞，保證巷道正常使用。

5 結語

根據懸吊理論計算確定高河礦W4302回風順槽錨桿的合理長度為2.4 m，錨索合理長度為8.3 m，針對錨桿間排距進行數值模擬優化，錨桿合理間排距為800 mm×900 mm。工業試驗圍巖變形量監測結果表明，此支護方案支護效果較好，可以顯著控制頂板巖體變形破壞，保證巷道正常使用。