旺嶺煤礦回采巷道錨桿支護方案優化研究

摘 要：【目的】旺嶺煤礦回采巷道現有支護方案存在支護材料浪費問題，支護成本偏高且不能滿足回采巷道快速掘進的要求，有必要對該煤礦回采巷道錨桿支護方案進行優化研究?！痉椒ā恳酝鷰X煤礦090213工作面運輸巷為研究對象，運用現場實測與數值模擬的方法，分析現有支護方案支護效果，結合巷道巖性變化對錨桿（索）支護參數進行優化，并進行成本核算與對比分析。【結果】結果表明，采用優化后的支護方案頂板和巷幫的變形量分別為64 mm和80 mm，較現有方案分別減少10.3%和2.5%，同時090213工作面運輸巷支護成本降低了39.31%。【結論】優化支護方案能夠較好地控制巷道的變形，降低了支護成本，有利于巷道掘進速度的提高，具有一定的實際意義和工程價值。

關鍵詞：回采巷道；錨桿支護；圍巖變形量；支護方案優化

中圖分類號：TD353" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）05-0050-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.009

Study on Optimization of Bolt Support Scheme in Mining Roadway of Wangling Coal Mine

ZHANG Zhou WANG Siyuan

（School of Mine Safety， North China University of Science and Technology， Langfang 065201， China）

Abstract： [Purposes] In view of the existing support scheme of the mining roadway in Wangling Coal Mine， the cost of supporting material waste is high， and it can not meet the problem of rapid excavation of the mining roadway，it is necessary to optimize the bolt support scheme of the coal mine roadway.[Methods] Taking the transportation roadway of 090213 working face in Wangling Coal Mine as the research object， the support effect of the existing support scheme is analyzed by means of field measurement and numerical simulation. The bolt （cable） support parameters are optimized in combination with the lithology change of the roadway， and the cost accounting and comparative analysis are carried out. [Findings] The results show that the deformation of the side and roof of the optimized support scheme is 64 mm and 80 mm respectively， which is 10.3 % and 2.5 % lower than that of the existing scheme， respectively. At the same time， the support cost of the transportation roadway in 090213 working face is reduced by 39.31 %. [Conclusions] The optimized support scheme can better control the deformation of the roadway， reduce the support cost， and is conducive to the improvement of the roadway excavation speed， which has certain practical significance and engineering value.

Keywords： mining roadway; bolt support; surrounding rock deformation; support scheme optimization

0 引言

巷道開挖破壞了原巖的應力平衡狀態，使得圍巖應力重新分布，引起巷道圍巖體發生變形，如果其周圍巖體的強度不足以承受作用在其上面的荷載，且未采取有效支護，將導致圍巖破壞，形成冒落拱［1］。為保證巷道穩定，需要對巷道圍巖進行有效支護。錨桿支護作為煤礦井下巷道的一種常用手段，是一種深入圍巖內部保持圍巖自承能力的柔性支護，在巷道支護中的應用廣泛［2］。

同一礦井不同巷道采用相同的支護方案，易造成支護參數選取不合理，錨桿作用不能充分發揮，掘進速度低等問題，一直備受國內外學者關注。陳紹杰等［3］為解決以往煤礦回采巷道支護設計因采用工程類比法而導致的支護材料浪費等問題，以某礦運輸順槽為研究背景，基于懸吊梁理論，采用理論分析和數值模擬的方法，提出了一種既能夠控制圍巖體穩定，又可以避免支護材料浪費的支護方案。孫永富等［4］以某礦運輸順槽為背景，針對大斷面回采巷道錨桿（索）數量多、支護成本高、施工工藝復雜等問題，基于加固拱理論，采用數值模擬和現場技術驗證，得到了全新的巷道支護參數。周坤友等［5］以神東某礦工作面運輸順槽為背景，針對淺埋厚煤層圍巖變形量大，巷道支護效果不佳等問題，綜合利用理論分析、數值模擬和現場實測等方法，分析了巷道開挖后圍巖應力狀態及分區，并對巷道支護方案進行優化。王衛軍等［6］針對軟巖巷道變形力學機制的多樣性，以及工程邊界條件的復雜性，以梅田六礦為背景，采用現場觀測和理論分析的方法，根據具體條件分析了該巷道圍巖變形機理，得到了合理的支護方案，取得了良好的技術經濟效果。

隨著煤礦規模與產量的提高，以及采掘設備的大型化、重型化，回采巷道現有的支護方案逐漸不能滿足巷道掘進速度和經濟性要求。因此，亟須提出一套能適應旺嶺煤礦巷道掘進速度又能節約支護成本，并保證工作面安全要求的支護形式。

1 工程概況

1.1 工作面地質特征

旺嶺煤礦位于山西省晉中市靈石縣英武鄉英武村，井田面積為6.552 km2，礦井核定生產能力為90 Kt/a。9#煤層位于太原組一段頂部，為主要的開采煤層，直接頂為泥巖，平均厚度為3.0 m，巖性特征深灰色，塊狀構造，局部夾薄層細粒砂巖。煤層基本頂為粉砂巖，厚度為4.50～6.41 m，平均厚度為5.46 m，巖層為灰色，呈現均勻波狀和相對均勻的層理。直接底為砂質泥巖，平均厚度為4.5 m，巖性特征為深灰色，厚層狀，泥晶結構，塊狀構造，含植物化石。煤層結構簡單，屬穩定可采煤層。9#煤層賦存特征見表1。

090213工作面位于9#煤層二采區，開采深度為101～122 m，該工作面走向長度為1 211 m，傾斜長度為150 m，煤層平均厚度為5.4 m，平均傾角為8°。采用單一走向長臂后退式采煤法進行開采，全部跨落法控制頂板。09213工作面巷道平面如圖1所示。

1.2 巷道原支護形式

090213工作面運輸巷設計為矩形斷面，設計巷道凈高2.9 m，凈寬4.2 m，凈斷面積11.2 m2。運輸巷支護參數見表2。

頂部錨桿每排布置5根，排距為0.9 m，錨索每排3根，排距為0.9 m，靠近巷幫位置的錨桿和錨索與豎直方向夾角為75°施工，金屬網尺寸100 mm×100 mm；兩幫錨桿為每排布置4根，排距為0.8 m，靠近頂底板位置的錨桿與水平方向夾角為75°施工?；夭上锏罃嗝娉叽缂霸ёo設計如圖2所示。

1.3 原支護方案礦壓監測結果分析

本研究采用YHDW150W型頂板離層儀監測工作面運輸順槽圍巖變形情況，實時監測錨桿（索）錨固力、受力大小，判斷圍巖穩定性，圍巖觀測每100 m左右設置一處觀測點，對距工作面50 m內的頂板離層儀7 d讀取一次。

090213工作面運輸巷礦壓監測結果見表3。由表3可知，在原有支護方案條件下，頂板離層量為18～25 mm，離層量較小，說明現有支護強度能夠保障施工安全。

在掘進初期，錨桿（索）測力計監測到錨桿受力大小為35～45 kN，錨索受力大小為125～130 kN。隨著工作面的持續推進，圍巖內部應力釋放出來的巷道圍巖變形較大，變形速率較快，次生應力場基本形成，支護構件與圍巖體形成共同承載，錨桿（索）測力計監測到錨桿受力大小為80 kN，錨索受力大小為240 kN。由于工作面超前液壓支架支護，降低了圍巖受到回采擾動的影響，在距離工作面約40 m時，錨桿（索）受力變化量逐漸降低直至消失。因此，可適當減少錨桿（索）數量或增加錨桿（索）排距。

2 090213工作面運輸巷支護方案優化

2.1 巷道支護方案優化可行性分析

FLAC3D是由美國ITASCA公司開發的仿真計算軟件，FLAC3D能夠進行土質、巖石和其他材料的三維結構受力特征模擬和塑形流動分析［7］。根據現場礦井勘察資料建立數值模型，本構模型選用Mohr-Coulomb模型，如圖3所示。模型尺寸為40 m×10 m×25 m（長×寬×高），共建立475 826個單元。由于模型上方取到地表，所以模型上部邊界為自由邊界，不受約束；模型四周和地面采用位移約束邊界；建立模型時從頂部施加13 MPa的力模擬上覆巖層荷載，水平側壓力系數取1.3。開挖巷道斷面為4.0 m×2.9 m（寬×高），采用結構單元 Cable模擬錨桿和錨索。巷道圍巖巖石力學參數見表4。

利用FLAC3D軟件進行數值模擬計算分析，得到原有支護參數條件下的模擬結果，如圖4所示。在原有支護條件下，錨桿（索）錨固段均大于巷道頂板和兩幫的破壞深度1.4 m和1.2 m，錨桿（索）可抑制圍巖裂隙發展，且巷道頂板變形量為78.7 mm，兩幫變形量為58.7 mm，能夠保障巷圍巖的穩定，原有的支護方案明顯過于保守，經濟和效率方面均存在較大的優化空間。

2.2 巷道支護方案優化

巷道支護方案可優化為采用錨桿+錨索+錨網聯合支護。巷道頂部、幫部錨索參數為φ16.5 mm×6 300 mm，按照1 800 mm×2 400 mm間排距、每排2根錨索、錨索與水方向夾角75°施工，兩幫無錨索。頂板布置5根參數為φ18 mm×2 000 mm的錨桿，兩幫布置3根參數為φ18 mm×2 000 mm的錨桿，靠近巷幫位置的錨桿與垂直方向夾角為75°施工，具體參數如圖5所示。

2.3 巷道支護優化方案支護效果分析

為了驗證經過優化的支護方案是否可行，采用FLAC3D軟件進行數值模擬計算分析，可得到圍巖的垂直位移及巖體塑性區破壞分布如圖6所示。巷道頂板塑性區范圍約1.4 m，左幫塑性區范圍約1.2 m，右幫塑性區范圍約1.1 m，錨桿（索）錨固段處于尚未遭受破壞的煤體之中，能夠有效地抑制圍巖裂隙發展。巷幫和頂板最大位移量較原支護方案變化不大，巷道兩幫位移最大值為64 mm，頂板位移最大值為80 mm，較現有方案減少了10.3%和2.5%。在優化后支護條件下，滿足礦井安全生產要求，支護方案具有可行性。

2.4 巷道支護優化方案技術經濟分析

通過現場實測結合數值模擬方法，深入剖析巷道圍巖變形和破壞規律，從而優化了錨桿支護參數，優化前后090213工作面運輸巷支護方案支護效果對比見表5。優化后支護方案圍巖變形量、塑性區分布均在合理的范圍內。

經成本核算與對比分析，對優化前后090213工作面運輸巷道支護成本進行對比，具體見表6。在優化前，090213工作面運輸巷成本為68.65萬元，經過支護參數優化后的支護成本為41.66萬元，支護成本降低了39.31%。

3 結論

①由現場監測結果可知，090213運輸巷在現有支護方案條件下頂板及兩幫支護強度整體偏高，不能更好地發揮錨桿（索）的支護作用和圍巖自承載能力，可以適當減少錨（索）數量或增加錨桿（索）排距。

②運用FLAC3D模擬軟件分析了兩種支護方案下巷道圍巖的塑性區破壞深度、應力分布特征及位移，結果表明：優化后支護方案圍巖兩幫、頂板位移量分別為59 mm和78 mm，相較于原方案兩幫、頂板位移量分別減少了10.3%和2.5%，仍滿足礦井生產需要。

③090213工作面運輸巷現有支護成本為68.65萬元，通過支護參數優化后的支護成本為41.66萬元，對比可知支護成本降低了39.31%。

參考文獻：

［1］康紅普.我國煤礦巷道錨桿支護技術發展60年及展望［J］.中國礦業大學學報，2016，45（6）：1071-1081.

［2］鞠文君.我國煤礦錨桿支護技術的發展與展望［J］.煤礦開采，2014，19（6）：1-6.

［3］陳紹杰，屈曉，劉勇，等.回采巷道支護參數優化及數值分析［J］.中國礦業，2017，26（5）：93-97，101.

［4］孫永富，張偉，史晨昊，等.大斷面回采巷道支護參數優化設計［J］.煤炭技術，2016，35（5）：36-39.

［5］周坤友，張宏偉，榮海，等.淺埋厚煤層回采巷道圍巖破壞分析及支護優化［J］.安全與環境學報，2018，18（1）：107-112.

［6］王衛軍，侯朝炯.軟巖巷道支護參數優化與工程實踐［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（5）：647-650.

［7］王金喜.高應力軟巖巷道錨殼噴支護機理研究［D］.邯鄲：河北工程大學，2007.