蓋州煤業(yè)9103 回風(fēng)巷支護(hù)方案優(yōu)化

路 遙

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)蓋州煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 概況

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

頂板支護(hù)：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(hù)： 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(fēng)巷支護(hù)示意圖（單位：mm）

對于巷道支護(hù)而言，最重要的就是支護(hù)參數(shù)的確定[1]。若支護(hù)強(qiáng)度過低則無法保證巷道的安全；支護(hù)強(qiáng)度過高則增加支護(hù)耗時(shí)及支護(hù)成本，不利于礦井的高效生產(chǎn)[2-5]。合理的支護(hù)參數(shù)在確保圍巖穩(wěn)定前提下可降低巷道支護(hù)成本[6]。通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)9103 回風(fēng)巷原支護(hù)存在以下可以進(jìn)一步優(yōu)化的環(huán)節(jié)：支護(hù)強(qiáng)度過高，支護(hù)耗時(shí)長，制約巷道掘進(jìn)效率；支護(hù)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(jìn)一步優(yōu)化。

2 回采巷道支護(hù)方式與支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

2.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

9#煤層厚度小、埋深淺，圍巖條件較好，結(jié)合9103 回風(fēng)巷工程地質(zhì)條件，提出五種支護(hù)方案[7]，支護(hù)材料與巷道原支護(hù)方案一致，支護(hù)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(hù)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(gòu)建與應(yīng)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(fù)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(hù)方案優(yōu)選分析

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

2.2.1 巷道豎向應(yīng)力

表1 巷道豎直方向最大應(yīng)力

圖2 圍巖豎直最大應(yīng)力變化曲線

從表1 及圖2 可以看出：

（1）巷道支護(hù)采用1～3 支護(hù)方案時(shí)，豎向最大應(yīng)力逐漸降低，方案3 較方案1 時(shí)降低0.1 MPa。

（2）采用方案4 時(shí)圍巖內(nèi)豎向應(yīng)力較方案3 有所增加，增長幅度為0.24 MPa；采用方案5 時(shí)圍巖內(nèi)豎向應(yīng)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(hù)由方案1 變化到方案3 時(shí)，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(hù)時(shí)頂?shù)装逡平孔钚。瑸?6.8 cm；當(dāng)巷道支護(hù)采用方案4 時(shí)，其頂?shù)装逡平孔畲螅瑸?8.2 cm，兩者之間相差1.4 cm。不同的支護(hù)方案下巷道頂?shù)装逦灰屏烤诜€(wěn)定范圍內(nèi)。

2.2.3 巷道兩幫移近量

表3 為不同支護(hù)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(hù)采用1～3 支護(hù)方案時(shí)，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(shí)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(dāng)巷道支護(hù)由方案4 變化到方案5 時(shí)，巷道兩幫移近量減小了0.3 cm，減少幅度較小。

由此可得，當(dāng)巷道處于支承壓力峰值時(shí)，巷道支護(hù)采用方案3，兩幫移近量最小，為15.8 cm；當(dāng)巷道支護(hù)采用方案4 時(shí)，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(hù)方案對巷道的兩幫移近量影響較小，即使巷道支護(hù)采用方案4，巷道的兩幫移近量仍處于一個(gè)合理的范圍。

表3 不同支護(hù)方案巷道兩幫移近量

圖4 兩幫移近量變化曲線

2.3 支護(hù)方案確定

通過上述分析得知巷道支護(hù)采用方案3 時(shí)，巷道豎直方向最大應(yīng)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(shí)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(hù)方案對9103 回風(fēng)巷的支護(hù)效果影響較小，即使9103 回風(fēng)巷支護(hù)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(hù)方案，具體方案4 設(shè)計(jì)斷面如圖5。

圖5 方案4 巷道支護(hù)示意圖（單位：mm）

3 工業(yè)試驗(yàn)分析

將優(yōu)選得到的巷道支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，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(hù)參數(shù)保持不變，巷道圍巖支護(hù)較原支護(hù)每天減少2 h支護(hù)時(shí)間。現(xiàn)場應(yīng)用后，頂板巖層在掘進(jìn)支護(hù)完成后下沉量僅為20 mm，處于安全范圍內(nèi)。

9103 回風(fēng)巷長1815 m，采用優(yōu)化支護(hù)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(jié) 語

（1）9103 回風(fēng)巷埋深淺，巷道圍巖條件良好，巷道原采用的支護(hù)方案支護(hù)強(qiáng)度過高，會(huì)增加支護(hù)成本且制約掘進(jìn)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(fēng)巷支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，通過分析巷道圍巖應(yīng)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(hù)滿足安全生產(chǎn)需要。

（2）現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)也表明，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案支護(hù)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(shí)，9103 回風(fēng)巷采用優(yōu)化后的支護(hù)方案較原方案減少支護(hù)投入257 950元。