前湾煤业2S201工作面回采巷道支护应用分析

高铁柱

（山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司，山西 乡宁 042103）

1 工程概况

临汾市前湾煤业S2盘区是一个全新的盘区，2S201首采工作面回采巷道初步设计仍沿用以往其他盘区的支护方案。2S201综采工作面运输顺槽长度935 m，运输顺槽口至回风大巷南侧长度为45 m，停采线为40 m，可回采长度850 m。2#煤层厚度2.8～3.38 m，回采巷道在掘进期间运输顺槽、回风顺槽均无断层和陷落柱等导水构造。目前，矿井回采巷道现有支护方案存在一次支护密度过大、施工效率低、掘进速度慢等问题；矿井高强度生产与工作面准备时间较长的问题日益突出。因此，以2S201工作面运输顺槽（以下简称运输顺槽）为工程实例，拟对其支护方案进行改进，以求在保证支护效果的前提下降低支护成本、提高掘进速率。

2 巷道围岩强度测试

2.1 测试方法

为具体掌握运输顺槽围岩的强度、结构等方面特征，在巷道开口段对巷道围岩强度和结构进行现场实测。围岩强度测试采用钻孔测试法，其测试方法如图1（a）所示，测试地点为试验巷道内，在需要测试的岩层内施工钻孔；测试时首先将探头放入钻孔内，然后通过压力泵将高压油输送至探头内，探头由于压力作用将伸出指针，指针地伸出量可通过指示器读取；持续加大油压，直至钻孔孔壁破裂，指示器会读到一个临界值（Pm），通过相应的换算即可得到此处围岩的抗压强度。围岩结构采用钻孔窥视法进行直观的观测，其设备组成如图1（b）所示，全景钻孔窥视仪可直接得到钻孔孔壁柱状图影像［1］。

图1 围岩强度、结构测试

2.2 测试分析

测点布置在运输顺槽开口处，围岩强度测试钻孔深度为10 m，分别对顶板岩层和两帮进行测试，给出典型的测试结果如图2所示。顶板岩层厚度10 m范围内可分为三个层次，浅部围岩（0～2.4 m）为泥岩，平均强度为26.72 MPa，中部围岩（2.4～6.6 m）为泥质砂岩，平均强度为41.27 MPa，深部围岩（6.6～10 m）细砂岩，平均强度93.84 MPa。通过现场窥视结果表明，巷道顶板岩层0～2 m范围内存在较多的裂隙，岩体较破碎、整体性较差；深度2～6 m范围内存在少数裂隙，围岩的完整性相对提高；深度6～10 m，基本没有明显的裂隙，岩层完整性良好；巷道两帮围岩深度0～1.5 m范围内裂隙较发育，深度1.5～10 m范围内裂隙数量极少。根据现场围岩强度、测试结果可知，2S201运输顺槽围岩条件良好，具备支护方案优化的条件。

图2 围岩强度测试结果

3 支护参数模拟分析

运输顺槽采用锚网索支护，其中锚杆、锚索支护密度、规格是影响围岩控制效果、掘进速度、经济效益的关键因素［2-3］，合理的参数设置不仅能够保障工作面正常生产的需要，同时还能降低支护成本、缩短施工时间［4］。因此，为确定2S201运输顺槽最为合理的支护参数，采用FLAC3D软件建立与巷道地质条件相对应的力学模型，探究锚杆、锚索长度、直径、布置间距等因素对支护效果的影响。计算模型范围长300 m×宽200 m×高70 m，巷道断面尺寸宽5.5 m×高3.8 m，工作面推进长度250 m，首先模拟回采巷道的开挖支护，再进行工作面的回采，然后观察超前工作面10 m处巷道围岩的变形情况。

对锚杆长度、锚索长度进行模拟分析。运输顺槽初始支护参数为：顶板、两帮锚杆直径22 mm、长度2.4 m，间排距1.0 m，顶板锚索直径21.6 mm，长度8 300 mm，间排距为2.0 m。采用单一因素法对顶板锚杆长度进行分析，设计锚杆长度为2.0～2.6 m，通过模拟计算得到不同锚杆长度条件下，工作面回采100 m时超前工作面5 m处围岩变形量如图3（a）所示。由图3（a）可知：当顶板锚杆长度由2.0 m增大至2.4 m，顶板下沉量减小了83 mm，煤帮变形量分别减小47 mm左右，底板底鼓量减小21 mm，说明通过提高顶板锚杆长度可提高围岩稳定性；当顶板锚杆由2.4 m增大至2.6 m，顶板下沉量减小约12 mm，两帮变形量约各减小11 mm，变形量减小幅度缩减明显，表明进一步增大顶板锚杆长度对于围岩稳定性的影响不大，因此可确定顶板锚杆最佳长度为2.4 m；同理可确定顶板锚索长度为7.3 m。

图3 不同支护参数下围岩变形量

通过上述模拟分析已确定锚杆、锚索单一参数的长度合理值，为确定锚杆、锚索布置的最优方案，参考地质条件相似的回采巷道支护方案，初步设计以下5种锚杆、锚索布置方案：

方案1：顶板5根，两帮各4根，间排距1.2 m×1.2 m，锚索每排1根，排距3.6 m。

方案2：顶板6根，两帮各4根，间排距1.0 m×1.2 m，锚索每排两根，间排距2.0 m×3.6 m。

方案3：顶板6根，两帮各4根，间排距1.0 m×1.0 m，锚索每排两根，间排距2.0 m×2.0 m。

方案4：顶板7根，两帮各4根，间排距0.9 m×0.9 m，锚索每排两根，间排距2.0 m×1.8 m。

方案5：顶板7根，两帮各5根，间排距0.9 m×0.9 m，锚索每排3根，间排距1.8 m×1.8 m。

通过模拟分析得到各支护方案下围岩变形量，整理得到如图3（b）所示结果，可以看出，巷道表面变形量随着支护密度的增大而表现为减小趋势，方案2条件下围岩变形量相对于方案1显著减小，而方案3、4、5条件下，巷道表面变形量减小量微小，且方案2条件下，回采巷道在工作面生产期间表面变形量已处于较低水准，因此确定最佳的支护方案为方案2。

4 支护方案优化

结合运输顺槽地质条件及数值模拟研究结果，设计其支护如图4所示，具体支护参数为：顶板及煤柱帮锚杆ϕ22 mm×2 400 mm，杆体钢号BHRB500，锚杆间排距为1.0 m×1.2 m，回采帮锚杆采用ϕ20 mm×2 000 mm的圆钢锚杆，每排共支护14根锚杆，钢筋托梁采用16 mm圆钢焊制；顶板和煤柱帮采用菱形金属网，网格为50 mm×50 mm；实体煤帮网片采用矿用塑料编织成的塑料网或菱形网，顶板锚索规格为ϕ18.9-L 7 300 mm，采用“二二”布置，间排距2.0 m×3.6 m，每根锚索选用一支K2335两支Z2360锚固剂锚固。

5 应用效果

在运输顺槽掘进及服务回采期间采用十字布点法观测表面变形情况，结果如图5所示：掘巷期间，在距迎头约60 m处顶底板变形量开始稳定不变，距迎头约100 m处两帮变形开始稳定，掘巷期间两帮变形量及顶底板变形量微小，围岩稳定性良好；服务于工作面回采期间，直至工作面回采至测点位置，两帮移近量及顶底板移近量均小于100 mm，完全能够满足使用的要求，综上可知，所设计的支护方案围岩控制效果良好。优化后的支护方案与原支护方案相比，每100 m可节省支护材料有：规格ϕ22-2400 mm的锚杆100根，规格SKP22-1/1720-7300的锚索约46根，掘进速度相交于原方案提高了约30%，同时显著降低了巷道的支护成本，对于指导后续回采巷道的支护具有现实意义。

图4 2S201运输顺槽优化支护方案

图5 矿压监测结果

6 结语

通过对2S201运输顺槽开口处围岩进行强度、结构实测，掌握了围岩的强度和裂隙发育特征，表明地质条件良好，具备对巷道支护方案优化的条件。通过数值模拟研究，确定不同支护参数对于2S201运输顺槽围岩稳定性的影响，决定采用锚杆最佳长度2.4 m，锚索最佳长度7.3 m等参数，并确定锚杆、锚索的最优布置方案。2S201运输顺槽支护优化应用后，经矿压观测表明，优化后的方案围岩控制效果良好，与原支护方案相比，从经济、安全等方面均有显著优势，可在后续工作面回采巷道推广使用。