3016 运输巷支护参数优化研究及应用

韩国将

（山西煤炭运销集团阳城大西煤业有限公司，山西 晋城 048000）

随着煤炭资源减少，矿井的采深不断增大，巷道处于较高应力状态[1-2]，导致巷道围岩稳定性变差，围岩极容易发生破坏，增大了巷道的支护难度[3-4]。大西矿矿区巷道锚杆支护所占比例约为95%，矿井巷道的支护参数主要采用经验类比，缺少随着采深增大等变化条件而进行科学的比较计算，并且巷道支护参数设计保守，导致巷道变形不能得到有效的控制，优化空间较大。

1 概况

3016 综采工作面巷道采用“U”型布置方式，工作面呈东西布置，煤层埋深283～404 m。工作面煤厚在2.4～4.2 m 范围的煤层占较大区域，除FY1断层影响区域煤厚变薄外，其余区域煤厚普遍正常。

以大西矿在掘的3016 运输巷为实际工程背景，展开不同巷道支护参数的优化试验，与原有支护方式进行对比，设计出最优巷道支护参数，为后续工作面巷道的支护提供理论依据，提高巷道的安全性。

2 巷道支护优化方案设计

2.1 原锚杆支护方案分析

3016 工作面运输巷的巷道断面呈矩形，巷道宽约5 m，高度为3.8 m，巷道断面面积约为19 m2，属于大断面巷道。巷道原有的支护方案主要是顶板锚杆索联合支护，帮部支护则选用高强度玻璃钢锚杆。原巷道支护剖面图如图1。

巷道两帮均选用Φ18 mm×1800 mm 圆钢锚杆，在巷道设计4 排锚杆，上排锚杆距离顶板550 mm，锚杆排距设计为900 mm，间距设计为1000 mm。锚杆和锚索选用的锚固剂相同，均为CK2355、K2355 锚固剂。

图1 原巷道支护剖面图

为了分析现有巷道支护设计的支护效果，同时可以和后续优化方案进行对比，利用FLAC3D数值模拟软件展开演算。根据3016 运输巷所处位置地质参数建立模型长×宽×高=50 m×50 m×34 m，巷道围岩选用上下共计16 个岩层带入模型计算。3016 运输巷设计在模型的中部，计划沿模型走向开挖17 m，监测断面选在开挖1 m 处，后续每开挖1 m，则可以提供一组巷道围岩变形数据。

根据对模拟数据的整理可知，在原支护参数条件下，巷道开挖1 m 处围岩最终变形结果：最大顶板下沉量为60.91 mm，最大底鼓量为41.38 mm，左帮位移量为94.66 mm，右帮最大水平变形量为95.64 mm。从结果可以看出，原有支护方案下，围岩变形量较大，尤其是两帮移近量，远大于顶底板的移近量，因此有必要对原有支护方案进行补强优化，降低巷道围岩的变形。

2.2 巷道支护参数优化设计

采用控制变量的方法，分别保持帮部支护参数不变和顶部支护参数不变，提出优化方案。方案优化主要有以下3 种：

（1）方案1：保持帮部支护参数不变，顶板支护将剖面上与角锚索位置的两根锚杆取消，即变成每排4 根锚杆，2 根角锚索。锚索仍呈三花眼布置，间距不变，排距增大为2500 mm。

（2）方案2：保持顶板支护方式不变，帮部增大锚杆的规格，选用Φ20 mm×2200 mm 的圆钢锚杆，帮部最上排锚杆向上倾斜，与水平线夹角为15°，其余锚杆位置和间排距设计不变。

（3）方案3：巷道顶板支护的锚索排距适当加密，减小为1500 mm，其余与方案1 保持一致。帮部支护锚杆选用更大规格的Φ22 mm×2400 mm 圆钢锚杆，间排距等设计与方案2 相同。

为了便于与原方案进行直接比较，利用数值模拟仅改变相应的巷道支护参数，同样以开挖1 m 断面的监测数据作为比较标准。巷道围岩变形结果见表1。

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表1 巷道不同支护方案围岩变形量

根据不同方案结果可知，方案3 能够有效减小巷道围岩变形，尤其是对两帮水平位移的控制，因此确立方案3 为巷道的优化支护设计。

3 巷道支护施工和效果考察

3.1 巷道支护和变形监测方案

为了对比原方案与新方案的实际支护效果，选择在3016 运输巷布置4 组监测断面。监测点的位置如图2。

图2 3016 运输巷监测站点分布图

其中编号为M1#和M2#的监测点处巷道采用原支护方案，M3#和M4#选择采用优化后的支护方案。巷道围岩变形的现场监测采用十字布点法，监测断面布置如图3。

3.2 支护效果对比分析

3016 运输巷顶板的累计变形量下沉曲线如图4，显示了监测断面布设之后巷道变形直至稳定所经历的全部变形过程。由图4 可以看出，随着时间增长，各个顶板监测点均表现出相同的变形规律。

图3 3016 运输巷监测断面布置图

图4 顶板监测点累计下沉量

巷道开挖后，监测断面围岩均开始发生剧烈变形，处于变形急剧增长阶段。各个测点均在约20 d后进入变形稳定阶段，此阶段巷道变形增量减小，趋于不变。

巷道围岩变形急剧增长阶段，M1#处顶板的顶板累计下沉量达124.5 mm，M2#顶板累计下沉量达69.5 mm，M3#顶板累计下沉量达40.5 mm，M4#顶板累计下沉量达54.5 mm。

变形稳定阶段即掘进工作面推过以后，在没有特殊因素影响的情况下，巷道顶板基本不再发生对整个变形量有较大影响的变形过程的后期阶段。在此阶段M1#、M2#、M3#和M4#顶板分别维持了过渡阶段的终点值，分别为130.5 mm、77.5 mm、46 mm 和59 mm，经持续约一周监测无明显变形发生。

左帮部监测点的水平位移如图5。巷道开挖后，巷道进入变形急剧增长阶段，M1#左帮变形急剧增长阶段累计水平位移量达97.5 mm，M2#左帮累计水平位移量达100.5 mm，M3#左帮累计水平位移量达93 mm，M4#左帮累计水平位移量达97 mm。变形稳定阶段，巷道左帮基本不再发生对整个变形量有较大影响的变形过程的后期阶段。在此阶段M1#、M2#、M3#和M4#左帮分别维持了过渡阶段的终点值，分别为109 mm、107 mm、95 mm 和99 mm，经持续约一周监测无明显变形发生。

图5 监测点左帮水平累计位移量

综上分析可知，新的支护方案不能改变巷道的总体的变形特征，均从变形急剧增长阶段过渡到稳定变形阶段。但统计结果显示，新的巷道支护方案能够有效地减小巷道变形量。巷道变形急剧增长阶段的变形速率均小于原有支护方案的巷道变形速率，并可以略微提前进入稳定变形阶段，这充分说明了新方案的合理性和可行性。

4 结论

（1）根据原巷道支护参数，通过数值模拟分析，并与从减小顶板锚索排距、增大帮部锚杆规格和调整角部锚杆角度等方面设计的巷道支护方案进行对比，最后确定最优巷道锚杆索支护参数。

（2）通过将优化后的方案和原有方案在3016巷道展开工业性对比试验发现，巷道变形都将经历围岩变形急剧增长阶段和变形稳定阶段，而采用优化方案的巷道围岩变形速率明显减小，巷道顶板和两帮的变形量也较原方案减小，表明巷道锚杆索的参数优化方案合理，能为巷道提供更有效的支护。