马脊梁矿巷道支护优化方法研究与实践

2020-03-05王云

山东煤炭科技 2020年2期

王云

（同煤集团安全监管五人小组管理部，山西大同 037001）

1 概况

马脊梁矿8220工作面2220巷全长1614.5m，采用矩形断面，宽5.4m，高3.6m。巷道采用锚杆+锚索+W型钢带+金属网联合支护（如图1所示），具体参数如下：

顶板支护：锚杆选取Φ20×2400mm的左旋无纵筋螺纹钢，每排7根，排距为900mm×900mm。两边缘处的锚杆沿垂直方向向外倾斜10°布设，并与边帮保持300mm的间距。通过W钢带将锚网固定，钢带规格为5100mm×280mm×3mm，锚网规格为Φ4mm×100mm×100mm菱形金属网，碟形垫选取130mm×130mm×10mm。锚索加强支护为每排采用Φ21.8×8000mm高预应力锚索5根，间距2700mm，其中中间三根锚索排距1600mm，垂直布置；最外侧两角锚索位于巷道顶角处，距相邻锚索1100mm，垂直向外倾斜20°布置，配套250mm×250mm×16mm钢托板。

8220工作面侧帮（左帮）支护：使用Φ20×2000mm玻璃钢锚杆4根，间排距900×900mm，其中最上侧锚杆距顶板150mm，且垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板750mm，选取与顶板同规格金属锚网，W型钢带规格为450mm×220mm×4mm，蝶形垫为110mm×110mm×10mm。右帮支护：使用Φ18×2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆4根，间排距900×900mm，其中最上侧锚杆距顶板150mm，且垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板750mm，采用与左帮同规格的锚网、W型钢带与蝶形垫。

底板支护：采用C25混凝土铺底，铺底厚度200mm。

2 巷道变形破坏特征

如图2所示为一组马脊梁矿2220巷原有支护条件局部照片。现场观察发现，煤岩受到地应力挤压作用，煤体出现严重变形和破碎，顶板防护中的锚网与托板也发生变形，巷道呈现出随掘进出现垮落的情况。

图1 2220回采巷道支护布置图

图2 2220巷原支护条件下巷道变形破坏特征

原有支护方式中锚杆与锚索布置缺乏协调性，尤其顶板处锚索布置集中于中部，没有起到有效的支护效果。2220大断面全煤巷道围岩强度较低，而锚索端头通过焊接小段工字钢构成护表构件，工字钢平行顶板布置，两腹板与顶板接触，导致两侧工字钢腿对顶板产生了切割，一定程度上破坏了顶板完整性，且小段工字钢护表面积较小，仅能提供较大抗弯刚度与强度，认为其支护效果不如锚索大托板。2220巷变形破坏特征如下：

（1）工作面所处煤层厚度4m左右，2220巷需要进行全煤巷掘进，围岩全部为煤体结构。围岩强度低，受上覆岩层地应力影响，顶板容易出现应力集中现象，顶板、两帮以及底板等处受到应力作用易出现变形、破碎等问题，而且局部的断层等特殊构造附近的支护更加困难，2220巷整体支护所需费用也较高。

（2）支撑压力影响。工作面采用综合放顶煤方式进行开采，煤层开采揭露后会形成较大空间。上覆基本顶为砂砾岩，围岩强度高，不易垮落，顶板活动空间增大，基本顶悬臂梁结构的弯矩加大，会增大裂隙带高度，增大上覆岩层冒落高度，使得支承压力峰值较高。而且随着巷道掘进、工作面回采的不断推进，受力状态还在发生变化，给支护工作带来了更大的困难。

（3）服务期间巷道稳定性要求高。为了保证回采工作的顺利进行，对巷道的可靠性、稳定性有较高的要求，因此支护质量必须得到保障。2220回采巷道的维护从工程的角度来说，对巷道的要求较高，由于巷道断面较大，且应保证整个回采过程中的巷道稳定性，所以在正常生产要求的前提下，不允许巷道有大的表面位移。

3 优化支护方案

优化顶板锚索布置方式为每排两根，间距3.2m，顶板锚索长度减小为7.0m，每帮增加一根锚杆，减小两帮锚杆支护排距为0.75m。见图3。

顶板支护：每排采用Φ20×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆7根，间排距900mm×800mm，其中最外侧两根锚杆距帮300mm，且垂直向外倾斜10°，顶板铺设Φ4mm×100mm×100mm菱形金属网，采用5100mm×280mm×3mm的W钢带压网，配套150mm×150mm×10mm碟形垫。锚索加强支护为每排采用Φ21.8×7000mm高预应力锚索2根，间距1800mm，排距3200mm，于巷道中心对称布置，配套300mm×300mm×16mm钢托板。

两帮支护：工作面侧帮每排采用Φ20×2000mm玻璃钢锚杆5根，间排距900×750mm，其中最上侧锚杆距顶板150mm，垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板450mm，垂直向下倾斜10°，挂塑料网并配套相应托板。非工作侧帮每排采用Φ18×2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆5根，间排距900×750mm，其中最上侧锚杆距顶板150mm，且垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板450mm，垂直向下倾斜10°，铺设Φ4mm×100mm×100mm菱形金属网，采用450mm×220mm×4mmW型钢护板压网，配套相应钢托板。

底板支护：采用C25混凝土铺底，铺底厚度200mm。

图3 2220巷优化支护方案

4 优化支护后的效果

通过FLAC3D进行数值模拟（模拟结果如图4所示），经比较发现优化效果较好。围岩变形对比参数如表1所示。

通过实践证明，该方案确实有效地提高了效率，降低了成本。表2为支护变更前后每米巷道支护材料费用表。

图4 数值模拟结果

表1 两种支护方案巷道围岩变形量对比

表2 支护变更前后每米巷道支护材料费用表

从表1和表2中数据可以看出，采用优化后的支护方案能够有效降低顶板下沉量、底板鼓起量、两帮位移量，改善巷道表面收敛，有效提高了巷道围岩的稳定性。同时，从优化后的支护方案参数可以看出，锚杆锚索的消耗数量减少，节约了成本，缩短了支护所需要的时间。综上所述，采用优化方案，可以在保证安全的前提下，缩短工期，加快巷道掘进速度，降低劳动强度，节约支护成本，实现支护工艺的最优化。