回风顺槽工作面支护优化设计

刘 杰

（西山煤电集团公司西铭矿，山西 太原 030052）

引言

煤矿开采的安全性在很大程度上受制于对顶底板围岩的控制效果，常规采用液压支架支护和锚杆锚索联合支护方式对工作面围岩进行控制。统计表明，煤矿生产中有超过50%的事故均是由于围岩控制效果不佳所导致。而且，在实际生产中由于工作面围岩地质条件相对复杂且特性多变，需针对性地完成工作面的设计[1]。本文将重点针对回风顺槽工作面的高应力巷道进行支护设计，并通过工程实践对支护效果进行评估。

1 1214工作面概况

本文以某矿1214回风顺槽工作面为例开展系列研究。为保证后续所设计的支护方案与回风顺槽工作面相互匹配。本节将重点对1214回风顺槽的地质条件进行探测评估。具体阐述如下：

1214回风顺槽工作面煤层的厚度范围为7.23～22.14 m，煤层平均厚度为15 m。经对工作面煤质进行测量可知，1214回风顺槽工作面煤层煤炭的普氏硬度系数为3，煤层的倾角范围为2°～5°，煤层平均倾角为3°。1214回风顺槽工作面的顶底板条件如表1所示。

经预测可知，1214回风顺槽工作面的最大涌水量为0.5 m3/h。目前，回风顺槽工作面支护采用的液压支架具体型号为ZY3600/10/20。结合表1中1214回风顺槽工作面的顶底板条件，通过仿真计算可知，该工作面在垂直方向的最大应力为15 MPa、最小应力为2 MPa。

表1 1214回风顺槽工作面顶底板条件

2 回风顺槽工作面支护设计

结合上述对1214回风顺槽工作面的地质条件，本节通过构建数值模拟模型，对不同锚杆锚索联合支护参数对应的支护效果仿真对比，最终得出最佳适用于1214回风顺槽工作面的支护方案。

2.1 模型建立

根据1214回风顺槽工作面的实际情况和巷道的基础尺寸，基于FLAC3D软件建立宽度为3.5 m、高度为2.5 m的数值模拟模型。为切实获得可指导实际生产的仿真结果，将回风顺槽工作面周围的单元格划分为0.5 m，其他远离回风顺槽工作面的单元网格尺寸较大[2]。

根据表1中的地质条件对模型中各类岩层的参数进行设置。网格划分和参数设置完毕护，基于摩尔库伦屈服准则对当前1214回风顺槽工作面在未来生产过程中的变形情况进行模拟预测。经模拟可知，1214回风顺槽工作面在未开展任何支护的条件，顶板的最大破坏量可达到1.8 m，而工作面两帮的最大破坏量1.7 m。

2.2 支护方案的选择

通过实践表明，目前煤矿巷道、回风顺槽等工作面支护应用较为广泛的支护方式为锚杆+锚索联合支护。同时，采用工程类比法和现有煤巷的支护经验，根据工作面围岩的稳定程度可初步确定支护参数[3]。1214回风顺槽工作面为中等稳定围岩，当顶板相对完整时采用锚杆+钢筋梁的支护方案即可；当顶板出现一定程度的破碎时，需采用锚杆+钢筋梁+网或增加锚索的综合支护方式。

结合1214回风顺槽工作面的顶板状态，最终确定采用锚杆+钢筋梁+网或增加锚索的综合支护方式。

2.3 支护参数的确定

2.3.1 锚杆支护参数

工作面支护锚杆包括有两帮锚杆和顶部锚杆。两帮锚杆长度与锚杆外露长度（一般取值为0.2 m）、锚杆有效长度（两帮最大变形量为1.7 m）和锚固长度（一般取值为0.3 m）相关，则可以得出两帮锚杆长度为2.2 m。两帮锚杆直径为锚杆长度/110，则可以得出两帮锚杆直径为2.2 m/110=20 mm。

顶板锚杆长度结合自然平衡拱理论计算，其主要考虑顶板围岩的变形量（最大变形量为1.8 m）和锚杆的外露长度（一般取值为0.6 m），则可以得出顶部锚杆的长度为2.4 m，对应的顶部锚杆直径为2.4 m/110=22 mm。

基于工程类比法，适用于1214回风顺槽工作面锚杆间距为0.6～1.0 m。其中，顶板锚杆间距为800 mm或900 mm，两帮锚杆间距为900 mm。锚杆排距为700 mm、900 mm和1 100 mm三种情况。

2.3.2 锚索支护参数

结合1214回风顺槽工作面的实际情况和该煤矿其他回风顺槽工作面的支护经验，最终确定锚索直径为15.24 m、长度为5 500 mm[4]。

2.3.3 金属网参数

为改善锚杆的整体承载能力，在锚杆+锚索的支护方案下，采用直径为6.5 mm的金属丝分别制成规格为100 mm×100 mm的金属网。

2.3.4 钢带参数

同样结合工作面实际情况和选型经验，1214回风顺槽工作面最终选用型号为BHW-280-2.75钢带，其对应的关键参数如表2所示。

表2 BHW-280-2.75钢带关键参数

根据锚杆间距和排距不同，对六种不同方案下对应顶板和两帮的变形量进行对比，六种支护方案如表3所示。

表3 六种不同支护方案

经过数值模拟分析，得出上述六种不同支护方案下对应顶板和两帮的变形量如表4所示。

如表4所示，工作面支护状态下顶板和两帮的变形量明显较无支护状态下减小；而且支护方案四、五、六对应的支护的效果明显优于支护方案一、二、三，说明顶板间距减小有利于对围岩的控制。具体对比方案四、五、六可知，随着锚杆排距的增加，顶板下沉量和两帮移近量均增加。因此，理论上锚杆排距越小越好[5]。但是，综合考虑锚杆排距过小会增加支护成本，降低支出效率，而且方案五和方案六对围岩的控制效果相差不多。

表4 不同支护方案对应顶板和两帮的变形量

综上，最终确定支护方案五对1214回风顺槽工作面进行支护，最终支护效果如图1所示。

图1 1214回风顺槽工作面支护效果图（单位：mm）

3 结论

根据综采工作面的地质条件针对性地提出有效的支护方案，对于保证工作面的安全性生产和高效的生产率具有重要意义。本文针对1214回风顺槽工作面，采用工程类比法和该工作面所属煤矿其他工作面的支护设计完成了该工作面最终支护方案的选择和支护参数的确定。

1）结合1214回风顺槽工作面的顶板状态，最终确定采用锚杆+钢筋梁+网或增加锚索的综合支护方式。

2）两帮锚杆长度为2.2 m，锚杆直径为20 mm，顶部锚杆的长度为2.4 m，顶部锚杆直径为22 mm，锚杆排距为900 mm，顶部锚杆间距为800 mm，两帮锚杆间距为900；锚索直径为15.24 m，长度为5 500 mm；金属网的规格为100 mm×100 mm；钢带型号为BHW-280-2.75。