巷道快速掘进支护方案优化分析

2022-04-08杨鹏飞

煤 2022年4期

王飞，杨鹏飞

(1.潞安化工集团有限公司古城煤矿，山西长治 046102；2.应急管理部信息研究院，北京 100013)

随着我国科技的进步，巷道掘进设备不断发展，巷道掘进速度不断提高，工作面投产的时间大大缩短[1]。但工作面的快速推进也导致工作面顶板及煤层应力环境改变，传统支护方式已无法满足巷道快速掘进的需要，因此需要依据顶底板变化岩性对支护参数进行调整优化[2-5]。本文以古城矿S1301工作面回风巷为实际背景，通过对原有支护方案优化设计，提出适合S1301工作面回风巷快速掘进的支护方案。

1 工程概况

S1301工作面位于3号煤层，煤层厚3.35～10.25 m，平均厚度6.32 m，煤层倾角3～22°，局部倾角大于15°，倾角平均6°，煤层埋深606.7～667.2 m，垂直应力约为17.1 MPa，煤层顶底板岩性较软，顶底板岩性见表1。

2 工作面支护现状分析

2.1 支护参数现状分析

S1301 工作面回风巷为矩形断面，宽×高=4 000 mm×3 200 mm，沿煤层顶板掘进。

1) 巷道顶板采用锚杆与锚索联合支护形式，锚杆采用左旋无纵筋螺旋锚杆，D22 mm×2 000 mm，间排距1 000 mm×1 500 mm，采用2只树脂药卷锚固；锚索规格为D18.9 mm×7 300 mm，间排距1 000 mm×1 500 mm。

2) 巷道两帮主要采用左旋无纵筋螺旋锚杆支护，规格为D18 mm×1 800 mm，间排距1 000 mm×1 500 mm。回风巷支护布置示意见图1。

表1 S1301工作面顶底板岩性

图1 回风巷支护布置示意(mm)

2.2 原支护方案效果分析

原支护方案不能有效控制巷道围岩变形，在掘进作业期间常出现顶板裂纹、两帮变形。为保证巷道掘进工作的顺利进行，对巷道围岩变形进行了检测，原支护条件下巷道围岩变形情况见表2。

由于原支护方案支护效能有限，造成巷道围岩变形明显，尤其巷道两帮，变形尤为明显，对巷道掘进产生一定影响，因此需要对巷道原支护方案进行优化设计。

表2 S1301工作面顶底板岩性

3 巷道支护参数优化

3.1 锚杆参数

通过现场实测，获得回风巷道自稳平衡拱高度为1.9 m，锚杆支护长度应不短于自稳平衡拱高度。

L=L1+L2+L3

(1)

式中：L1为顶锚杆自由端长度，取0.1 m；L2为平衡拱拱高，取1.9 m；L3为平衡拱拱外长度，取0.5 m。

可得L=2.5 m。

同时基于矿井实际情况，选定锚杆直径为20 mm。根据实测锚杆屈服强度QB=65 kN，平衡拱内锚杆承受最大载荷G=151.98 kN，则每排锚杆数量为：

(2)

因此确定顶板每排锚杆数量为5根。由于巷道宽度为4 m，因此每排锚杆间距800 mm。依据矿井需要，确定锚杆排距1 400 mm。

综上所述，确定锚杆参数为D20 mm×L2 500 mm，间排距800 mm×1 400 mm。

3.2 锚索参数

基于公式(3)可计算锚索长度：

Ls=La+Lb+Lc

(3)

式中：La为直接顶厚度，取4.3 m；Lb为锚索外露端长度，取0.3 m；Lc为锚索自由端长度，取3.2 m。

可得Ls=7.8 m。

4 优化支护模拟分析

为确定优化支护方案的支护效果，文章进行原始支护参数和优化后支护参数的模拟效果对比分析。需要注意的是，锚杆支护应力数量级远小于原岩应力，为保证支护效果，本文采用零原岩应力条件下模拟支护参数，围岩具体参数如表3所示。数值模型长×宽×高=50 m×2 m×46.2 m，近水平分布。巷道设计为矩形断面，宽 4.0 m、高3.2 m，模型底边边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定。支护优化前后支护应力示意见图2。

表3 数值模型岩层材料参数

图2 优化支护前后巷道支护应力截面示意

分析图2可知，在原始支护方案中，巷道顶帮浅部围岩形成平均大小为0.16 MPa的支护压应力区，且由浅入深，支护应力值逐渐增大；两帮范围内围岩支护压应力平均值为0.74 MPa，且呈弧状分布在两帮。需要注意的是，由于顶板和两帮围岩形成有机支护体，应力沿煤层底板向深部传递，且随着深度增加，压应力逐渐升高。支护方案优化后，巷道顶板浅部较原支护方案形成更高范围的支护压应力区，平均大小为0.23 MPa，两帮平均支护应力0.96 MPa，支护应力区分布特征同原支护方案，说明优化支护后，支护应力有效提升，巷道围岩整体的稳定性增加。