3016 運輸巷支護參數優化研究及應用

韓國將

（山西煤炭運銷集團陽城大西煤業有限公司，山西 晉城 048000）

隨著煤炭資源減少，礦井的采深不斷增大，巷道處于較高應力狀態[1-2]，導致巷道圍巖穩定性變差，圍巖極容易發生破壞，增大了巷道的支護難度[3-4]。大西礦礦區巷道錨桿支護所占比例約為95%，礦井巷道的支護參數主要采用經驗類比，缺少隨著采深增大等變化條件而進行科學的比較計算，并且巷道支護參數設計保守，導致巷道變形不能得到有效的控制，優化空間較大。

1 概況

3016 綜采工作面巷道采用“U”型布置方式，工作面呈東西布置，煤層埋深283～404 m。工作面煤厚在2.4～4.2 m 范圍的煤層占較大區域，除FY1斷層影響區域煤厚變薄外，其余區域煤厚普遍正常。

以大西礦在掘的3016 運輸巷為實際工程背景，展開不同巷道支護參數的優化試驗，與原有支護方式進行對比，設計出最優巷道支護參數，為后續工作面巷道的支護提供理論依據，提高巷道的安全性。

2 巷道支護優化方案設計

2.1 原錨桿支護方案分析

3016 工作面運輸巷的巷道斷面呈矩形，巷道寬約5 m，高度為3.8 m，巷道斷面面積約為19 m2，屬于大斷面巷道。巷道原有的支護方案主要是頂板錨桿索聯合支護，幫部支護則選用高強度玻璃鋼錨桿。原巷道支護剖面圖如圖1。

巷道兩幫均選用Φ18 mm×1800 mm 圓鋼錨桿，在巷道設計4 排錨桿，上排錨桿距離頂板550 mm，錨桿排距設計為900 mm，間距設計為1000 mm。錨桿和錨索選用的錨固劑相同，均為CK2355、K2355 錨固劑。

圖1 原巷道支護剖面圖

為了分析現有巷道支護設計的支護效果，同時可以和后續優化方案進行對比，利用FLAC3D數值模擬軟件展開演算。根據3016 運輸巷所處位置地質參數建立模型長×寬×高=50 m×50 m×34 m，巷道圍巖選用上下共計16 個巖層帶入模型計算。3016 運輸巷設計在模型的中部，計劃沿模型走向開挖17 m，監測斷面選在開挖1 m 處，后續每開挖1 m，則可以提供一組巷道圍巖變形數據。

根據對模擬數據的整理可知，在原支護參數條件下，巷道開挖1 m 處圍巖最終變形結果：最大頂板下沉量為60.91 mm，最大底鼓量為41.38 mm，左幫位移量為94.66 mm，右幫最大水平變形量為95.64 mm。從結果可以看出，原有支護方案下，圍巖變形量較大，尤其是兩幫移近量，遠大于頂底板的移近量，因此有必要對原有支護方案進行補強優化，降低巷道圍巖的變形。

2.2 巷道支護參數優化設計

采用控制變量的方法，分別保持幫部支護參數不變和頂部支護參數不變，提出優化方案。方案優化主要有以下3 種：

（1）方案1：保持幫部支護參數不變，頂板支護將剖面上與角錨索位置的兩根錨桿取消，即變成每排4 根錨桿，2 根角錨索。錨索仍呈三花眼布置，間距不變，排距增大為2500 mm。

（2）方案2：保持頂板支護方式不變，幫部增大錨桿的規格，選用Φ20 mm×2200 mm 的圓鋼錨桿，幫部最上排錨桿向上傾斜，與水平線夾角為15°，其余錨桿位置和間排距設計不變。

（3）方案3：巷道頂板支護的錨索排距適當加密，減小為1500 mm，其余與方案1 保持一致。幫部支護錨桿選用更大規格的Φ22 mm×2400 mm 圓鋼錨桿，間排距等設計與方案2 相同。

為了便于與原方案進行直接比較，利用數值模擬僅改變相應的巷道支護參數，同樣以開挖1 m 斷面的監測數據作為比較標準。巷道圍巖變形結果見表1。

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表1 巷道不同支護方案圍巖變形量

根據不同方案結果可知，方案3 能夠有效減小巷道圍巖變形，尤其是對兩幫水平位移的控制，因此確立方案3 為巷道的優化支護設計。

3 巷道支護施工和效果考察

3.1 巷道支護和變形監測方案

為了對比原方案與新方案的實際支護效果，選擇在3016 運輸巷布置4 組監測斷面。監測點的位置如圖2。

圖2 3016 運輸巷監測站點分布圖

其中編號為M1#和M2#的監測點處巷道采用原支護方案，M3#和M4#選擇采用優化后的支護方案。巷道圍巖變形的現場監測采用十字布點法，監測斷面布置如圖3。

3.2 支護效果對比分析

3016 運輸巷頂板的累計變形量下沉曲線如圖4，顯示了監測斷面布設之后巷道變形直至穩定所經歷的全部變形過程。由圖4 可以看出，隨著時間增長，各個頂板監測點均表現出相同的變形規律。

圖3 3016 運輸巷監測斷面布置圖

圖4 頂板監測點累計下沉量

巷道開挖后，監測斷面圍巖均開始發生劇烈變形，處于變形急劇增長階段。各個測點均在約20 d后進入變形穩定階段，此階段巷道變形增量減小，趨于不變。

巷道圍巖變形急劇增長階段，M1#處頂板的頂板累計下沉量達124.5 mm，M2#頂板累計下沉量達69.5 mm，M3#頂板累計下沉量達40.5 mm，M4#頂板累計下沉量達54.5 mm。

變形穩定階段即掘進工作面推過以后，在沒有特殊因素影響的情況下，巷道頂板基本不再發生對整個變形量有較大影響的變形過程的后期階段。在此階段M1#、M2#、M3#和M4#頂板分別維持了過渡階段的終點值，分別為130.5 mm、77.5 mm、46 mm 和59 mm，經持續約一周監測無明顯變形發生。

左幫部監測點的水平位移如圖5。巷道開挖后，巷道進入變形急劇增長階段，M1#左幫變形急劇增長階段累計水平位移量達97.5 mm，M2#左幫累計水平位移量達100.5 mm，M3#左幫累計水平位移量達93 mm，M4#左幫累計水平位移量達97 mm。變形穩定階段，巷道左幫基本不再發生對整個變形量有較大影響的變形過程的后期階段。在此階段M1#、M2#、M3#和M4#左幫分別維持了過渡階段的終點值，分別為109 mm、107 mm、95 mm 和99 mm，經持續約一周監測無明顯變形發生。

圖5 監測點左幫水平累計位移量

綜上分析可知，新的支護方案不能改變巷道的總體的變形特征，均從變形急劇增長階段過渡到穩定變形階段。但統計結果顯示，新的巷道支護方案能夠有效地減小巷道變形量。巷道變形急劇增長階段的變形速率均小于原有支護方案的巷道變形速率，并可以略微提前進入穩定變形階段，這充分說明了新方案的合理性和可行性。

4 結論

（1）根據原巷道支護參數，通過數值模擬分析，并與從減小頂板錨索排距、增大幫部錨桿規格和調整角部錨桿角度等方面設計的巷道支護方案進行對比，最后確定最優巷道錨桿索支護參數。

（2）通過將優化后的方案和原有方案在3016巷道展開工業性對比試驗發現，巷道變形都將經歷圍巖變形急劇增長階段和變形穩定階段，而采用優化方案的巷道圍巖變形速率明顯減小，巷道頂板和兩幫的變形量也較原方案減小，表明巷道錨桿索的參數優化方案合理，能為巷道提供更有效的支護。