高河矿回采巷道支护参数分析及优化

张云峰

（山西高河能源有限公司，山西 长治 047100）

随着煤炭开采强度的不断增大，回采速度不断提高，粗放式的开采模式已经不适应现阶段的市场需求，需进行精细化开采，降低成本，实现节能增效[1]。在井下工作面开采中，巷道是工作面开采及井田开拓的重要通道，矿井每年巷道掘进量达几千米。现有的巷道支护密度过大，虽然可以保证巷道的安全稳定，但极大地影响了巷道掘进速度，且增加了巷道支护成本，造成浪费[2-3]。因此，针对回采巷道合理支护参数进行优化研究具有重要的现实意义。

1 工程概况

高河煤矿为设计生产能力6.0 Mt/a的特大型生产矿井，主采3#煤层，煤层平均厚度为6.08 m，倾角为0°～7°，开采工艺为综合机械化放顶煤，全部垮落法管理顶板，回采巷道均沿煤层底板布置。W4302回风顺槽临近W4301工作面采空区，护巷煤柱为70 m。W4302回风顺槽布置见图1，东接+450 m水平南翼大巷，西为矿界保安煤柱线，南为W4302工作面未采区。工作面顶底板岩性见表1。W4302回风顺槽设计断面掘宽5 300 mm，掘高3 900 mm，毛断面面积20.67 m2，净宽5 200 mm，净高3 700 mm，净断面面积19.24 m2，沿煤层底板掘进，铺底150 mm，混凝土强度C30。

图1 回采巷道地理位置平面

表1 工作面顶底板岩性

2 回采巷道支护参数理论计算

2.1 锚杆支护参数理论计算

高河能源公司使用直径28 mm的钻孔机具，适宜的锚杆直径为18～24 mm。参照已掘回采巷道的围岩控制情况，综合考虑巷道维护效果、支护成本、施工机具等因素，高河能源公司以往选用直径22 mm的左旋无纵肋螺纹钢锚杆。

基于悬吊理论，以下式计算锚杆长度：

Lmg=kb+L1+L2

式中：Lmg为锚杆长度，m；k为安全系数，取2；L1为锚杆锚入稳定岩层的深度，取0.5 m；L2为锚杆的外露长度，取0.1 m；b为巷道冒落拱的高度，根据现场取0.66 m。

计算得到Lmg为1.92 m，因此设计采用长度为2.4 m的锚杆可满足支护要求。

2.2 锚索支护参数理论计算

锚索长度Lms的计算公式如下：

Lms≥La+Lb+Lc+Ld

式中：La为锚索锚入较稳定岩层的厚度，取2.05 m；Lb为需要悬吊的不稳定岩层厚度，根据巷道顶板为2.18 m的顶煤，顶煤上方为2.2 m的砂质泥岩伪顶，由此确定Lb为4.38 m；Lc为上托盘及锁具的厚度，取0.2 m；Ld为锚索需要外露的张拉长度，取0.35 m。

计算得到Lms为6.98 m，因此高河能源公司以往回采巷道施工采用长度为8.3 m的锚索可满足支护需求。

锚索的数目通过下式计算确定：

式中：N为锚索的数目；P1为锚索的最低破断力，取286.5 kN；W为被吊岩石自重，根据顶板岩层自重计算得到为323.5 kN。

计算得到N值为2.26，因此巷道断面锚索的数目取3根。

由于巷道锚杆数目较多，间排距的设置对巷道支护成本有着重要影响，因此采用数值模拟手段对锚杆间排距进行优化。

3 巷道支护参数数值模拟研究

3.1 数值模型建立

以W4302工作面实际地质力学环境及周边回采巷道空间为基础，利用FLAC3D软件建立整体尺寸为500 m×300 m×50 m的三维数值模型，X方向为W4302工作面布置方向，Y方向为工作面推进方向；基于实验室试验测定的煤岩物理力学参数（见表2），对各岩层赋参；边界条件为底部边界限制垂直位移、周部边界限制水平移动，模型顶部施加均布载荷大小为12 MPa。

模型首先开采W4301工作面，采用分阶段开挖、循环运算方式，每阶段开挖10 m，对应数值计算1 000时步。然后再开掘W4302回风顺槽，W4302回风顺槽护巷煤柱为70 m，针对W4302回风顺槽开始掘进，研究其不同锚杆间排距下的巷道变形量。

表2 煤岩物理力学参数

3.2 锚杆间排距对围岩稳定性的影响

遵循单一变量原则，将锚杆直径为22 mm、长度均为2.4 m、排距以及锚索的直径、长度以及间排距取定值，分析锚杆间距分别为600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm时在W4302回风顺槽布置阶段以及W4302工作面回采阶段内对围岩变形破坏的影响，以W4302回风顺槽无支护方式作为对比方案。

图2 掘巷结束后锚杆间距变化对围岩稳定性的影响

图2中锚杆间距采用如上方案时，W4302回风顺槽布置完成后顶板下沉量与两帮移近量变化曲线，可看出与无支护方案相比，W4302回风顺槽支护后围岩位移量显著降低，但在不同锚杆间距条件下，巷道顶板下沉量的差别不大，两帮移近量随锚杆间距减小而逐步降低。由此可以看出在W4302工作面未回采前，锚杆间距在600～1 000 mm内变化时对顶板稳定性影响较小，对帮部煤体稳定性的影响相对较大。

图3 W4302工作面回采后锚杆间距对围岩稳定性的影响

继续分析在W4302工作面回采期间，锚杆间距对围岩稳定性的影响，见图3。表明W4302工作面回采后近工作面区域巷道围岩位移量显著增加。各模拟方案顶板位移曲线基本重合，表明锚杆间距未对巷道顶板变形破坏构成显著影响；两帮移近量随锚杆间距减小而逐步降低，尤其是当锚杆间距超对800 mm 时，两帮位移量降低明显，锚杆间距低于800 mm时，两帮移近量降低趋势减弱。因此，综合分析确定锚杆合理间距为800 mm。

模拟研究在锚杆间距为800 mm的前提下，排距分别为600 mm、900 mm、1 200 mm以及1 500 mm条件下围岩变形破坏情况。由数值模拟结果可知W4302工作面回采后，随锚杆间距减小巷道围岩变形量逐步降低，但降低率逐步减小，当锚杆间距为900 mm减为600 mm后，围岩变形量降低率并不明显，综合考虑锚杆排距为900 mm比较合理。

4 工业试验

4.1 W4302支护方式

W4302回风顺槽采用支护参数如下： 顶板采用长2.4 m、Φ22 mm，间排距为800 mm×900 mm的锚杆；帮部锚杆间排距为800 mm×900 mm。顶板锚索采用长8.3 m，Φ18.96 mm，间排距1 400 mm×900 mm，每排布置3根。巷道铺底硬化厚度为150 mm，混凝土强度等级为C30，支护方式见图4。

图4 W4302回风顺槽永久支护设计

4.2 W4302回风顺槽围岩变形监测

在W4302回风顺槽围岩布置监测点，每天监测巷道两侧和顶底板表面的围岩变形量。通过处理数据并分析可知，回采巷道初始开掘10天内，两帮变形速率最大，达到2.25 mm/d，10天后变形速率呈现波动性减小的变化趋势，但两帮整体移近量不断增大，直至开挖60天后，两帮移近量趋于稳定，变形速率趋近于0，两帮累计移近量为90 mm，顶底板最终位移量为40 mm。现场监测结果表明，回采巷道顶板围岩完整程度较高，不具有明显的裂隙，支护效果较好，可以显著控制顶板岩体变形破坏，保证巷道正常使用。

5 结语

根据悬吊理论计算确定高河矿W4302回风顺槽锚杆的合理长度为2.4 m，锚索合理长度为8.3 m，针对锚杆间排距进行数值模拟优化，锚杆合理间排距为800 mm×900 mm。工业试验围岩变形量监测结果表明，此支护方案支护效果较好，可以显著控制顶板岩体变形破坏，保证巷道正常使用。