煤礦巷道支護參數的優化及試驗研究

呂浩浩

（山西煤炭運銷集團陽城西河煤業有限公司， 山西 陽城 048100）

引言

煤礦安全生產備受企業和作業人員的關注，煤礦生產的安全性在一定程度上受制于巷道支護效果和質量。隨著工作面的不斷推進，工作面頂底板情況、煤層情況等均在發生變化，原支護方案無法適應工作面地質變化的情況[1]。因此，需根據工作煤層、頂底板變化情況對巷道支護參數進行優化，進而獲得最佳支護效果，以滿足實際生產的需求。本文著重對某礦502 巷道的支護參數進行優化，并對優化后的支護方案進行試驗驗證其效果。

1 工程概況

某煤礦的設計生產能力為60 萬t/a，目前可開采的煤層有4 號、5 號煤層。其中，4 號煤層的厚度較薄可全部開采，5 號煤層的厚度范圍為2.85～8.25 m，平均煤層厚度為5.08 m。該煤礦的502 工作面中的運輸巷道高度為3.2 m，寬度為4 m，其頂底板情況如表1 所示。

2 工作面支護現狀分析

2.1 支護參數

在設計初期，結合502 工作面頂底板情況及煤層特征，僅對工作面頂板和巷幫進行了支護，具體支護方案如下。

表1 502 工作面頂底板情況

2.1.1 頂板支護參數

頂板采用錨桿+錨索的聯合支護。其中，錨桿支護參數中，錨桿之間的間距為1 000 mm，每排錨桿之間間距為1 500 mm，每排錨桿的數量為4 根；所采用錨桿型號為左旋無縱筋螺旋鋼筋，鋼筋的直徑為22 mm，錨桿的長度為2 m；錨桿采用2 支樹脂藥卷進行固定，錨桿對應錨固的直徑為28 mm，錨固長度為950 mm；錨索支護參數中，錨索之間的間距為1 000 mm，每排錨索之間間距為1 500 mm；錨索的直徑為18.9 mm，長度為7.3 m；錨索采用3 支樹脂藥卷進行固定，對應錨固鉆孔的直徑為19 mm[2]。

2.1.2 巷幫支護參數

工作面巷道兩幫采用錨桿支護，具體支護參數如下中，每排錨桿之間的間距為1 500 mm，錨桿之間的間距為1 000 mm，且每排錨桿的數量為3 根；所采用錨桿的類型為左旋螺紋鋼樹脂錨桿，錨桿直徑為18 mm；采用2 支樹脂藥卷對錨桿進行錨固；為錨桿配置塑料網護幫，護幫的寬度為2 000 mm，長度為2 500 mm，護幫網片的規格為邊長為50 mm 的正方形[3]。

502 工作面支護斷面如圖1 所示。

圖1 502 斷面原支護斷面圖（單位：mm）

2.2 原支護方案下支護效果

在實踐生產中，在原支護方案下502 工作面頂板出現較大的裂縫，且巷道兩幫均出現較大的變形。為了準確掌握原支護方案的缺陷，對502 工作面設置監測斷面，對頂板和巷幫變形的具體數值進行監測，監測結果如表2 所示。

表2 502 工作面巷道變形定量分析 mm

綜上所述，工作面當前的支護方案存在一定的缺陷，導致其對巷道頂板和兩幫圍巖的控制效果較差[4]。為保證工作面的安全生產，急需對工作面的支護參數進行優化。

3 巷道支護參數的優化及試驗

3.1 巷道支護參數的優化

3.1.1 錨桿參數的優化

基于自穩隱形拱理論，當運輸順槽頂板固定錨索后其對應的自穩隱形拱高度為1.9 m。則，頂板所需錨桿的長度L 計算公式如式（1）所示：

式中：L1為頂錨桿外露的長度，L1=0.1 m；L2為自穩隱形拱高度，L2=1.9 m；L3為錨桿伸入自穩隱形拱外的距離，L3=0.5m。經計算可知，頂錨桿的總長度為2.5m。

根據頂錨桿長度為2.5 m，結合當前市面錨桿的通用規格，擬選用頂錨桿的直徑為20 mm。根據式（2）計算得出每排錨桿的數量n：

式中：n 為每排錨桿的數量，G 為頂板冒落拱內錨桿承擔煤體的載荷，G=151.98 kN；QB為所選型錨桿的屈服強度，QB=65 kN[4]。經計算得n=4.67。則，取每排錨桿的數量為5 根。由于巷道的寬度為6 200 m，則確定錨桿之間的間排距為1 400 mm，對應每排錨桿的間距為900 mm。

最終確定針對運輸順槽頂板的錨桿支護所選型的錨桿參數為：直徑為20 mm，長度為2 500 mm，間排距為900 mm×1 400 mm，每排錨桿的數量為5 根[5]。

同理，運輸順槽巷幫錨桿支護所選型錨桿的參數為：直徑為20 mm，長度為2 200 mm，每排錨桿數量為3 根，間排距為700 mm×1 400 mm。

3.1.2 錨索參數的優化

錨索長度的計算如式（3）所示：

式中：Ls為錨索總長度；La為直接頂厚度，La=4.3 m；Lb為錨索自由段長度，Lb=3.2 m；Lc為錨索外露長度，Lc=0.3 m。經計算得：錨索總長度為7.8 m。

由于錨桿的間距為1 400 mm，故選擇錨索的間距同樣為1 400 mm，結合支護經驗選擇錨索與錨索之間的間距為1 600 m。

3.2 支護參數優化后的試驗

為驗證502 工作面巷道支護參數優化后的支護效果，對優化后支護方案在工作面實施20 d 內巷道某50 m 段頂板和兩幫的變形情況進行監測，監測結果如圖2 所示。

圖2 支護參數優化后工作面變形情況監測結果

如圖2 所示，工作面支護參數經優化設計后，巷道頂板的最大變形量約為32.5 mm，遠小于原支護方案下頂板348.2 mm 的變形量；巷道兩幫的最大變形量不到10 mm，遠小于原支護方案下巷道兩幫450.1 mm 的變形量。

綜上所述，經對502 工作面巷道支護參數進行優化設計后，現有的支護方案能夠對巷道頂板和兩幫的圍巖變形進行很好的控制。

4 結語

一直以來，煤礦安全生產是備受關注的話題，巷道的支護效果和質量直接決定煤礦的安全生產。為保證巷道支護效果需根據工作面煤層、地質以及頂底板情況的變化對支護參數進行實時調整。本文對某煤礦502 工作面的支護參數進行優化設計后巷道頂板的最大變形量約為32.5 mm，遠小于原支護方案下頂板348.2 mm 的變形量；巷道兩幫的最大變形量不到10 mm，遠小于原支護方案下巷道兩幫450.1 mm 的變形量。總之，優化后的支護參數能夠實現對工作面巷道圍巖的良好控制。