馬脊梁礦巷道支護優(yōu)化方法研究與實踐

王 云

（同煤集團安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037001）

1 概況

馬脊梁礦8220工作面2220巷全長1614.5m，采用矩形斷面，寬5.4m，高3.6m。巷道采用錨桿+錨索+W型鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護（如圖1所示），具體參數(shù)如下：

頂板支護：錨桿選取Φ20×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼，每排7根，排距為900mm×900mm。兩邊緣處的錨桿沿垂直方向向外傾斜10°布設，并與邊幫保持300mm的間距。通過W鋼帶將錨網(wǎng)固定，鋼帶規(guī)格為5100mm×280mm×3mm，錨網(wǎng)規(guī)格為Φ4mm×100mm×100mm菱形金屬網(wǎng)，碟形墊選取130mm×130mm×10mm。錨索加強支護為每排采用Φ21.8×8000mm高預應力錨索5根，間距2700mm，其中中間三根錨索排距1600mm，垂直布置；最外側兩角錨索位于巷道頂角處，距相鄰錨索1100mm，垂直向外傾斜20°布置，配套250mm×250mm×16mm鋼托板。

8220工作面?zhèn)葞停ㄗ髱停┲ёo：使用Φ20×2000mm玻璃鋼錨桿4根，間排距900×900mm，其中最上側錨桿距頂板150mm，且垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板750mm，選取與頂板同規(guī)格金屬錨網(wǎng)，W型鋼帶規(guī)格為450mm×220mm×4mm，蝶形墊為110mm×110mm×10mm。右?guī)椭ёo：使用Φ18×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿4根，間排距900×900mm，其中最上側錨桿距頂板150mm，且垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板750mm，采用與左幫同規(guī)格的錨網(wǎng)、W型鋼帶與蝶形墊。

底板支護：采用C25混凝土鋪底，鋪底厚度200mm。

2 巷道變形破壞特征

如圖2所示為一組馬脊梁礦2220巷原有支護條件局部照片?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，煤巖受到地應力擠壓作用，煤體出現(xiàn)嚴重變形和破碎，頂板防護中的錨網(wǎng)與托板也發(fā)生變形，巷道呈現(xiàn)出隨掘進出現(xiàn)垮落的情況。

圖1 2220回采巷道支護布置圖

圖2 2220巷原支護條件下巷道變形破壞特征

原有支護方式中錨桿與錨索布置缺乏協(xié)調性，尤其頂板處錨索布置集中于中部，沒有起到有效的支護效果。2220大斷面全煤巷道圍巖強度較低，而錨索端頭通過焊接小段工字鋼構成護表構件，工字鋼平行頂板布置，兩腹板與頂板接觸，導致兩側工字鋼腿對頂板產(chǎn)生了切割，一定程度上破壞了頂板完整性，且小段工字鋼護表面積較小，僅能提供較大抗彎剛度與強度，認為其支護效果不如錨索大托板。2220巷變形破壞特征如下：

（1）工作面所處煤層厚度4m左右，2220巷需要進行全煤巷掘進，圍巖全部為煤體結構。圍巖強度低，受上覆巖層地應力影響，頂板容易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，頂板、兩幫以及底板等處受到應力作用易出現(xiàn)變形、破碎等問題，而且局部的斷層等特殊構造附近的支護更加困難，2220巷整體支護所需費用也較高。

（2）支撐壓力影響。工作面采用綜合放頂煤方式進行開采，煤層開采揭露后會形成較大空間。上覆基本頂為砂礫巖，圍巖強度高，不易垮落，頂板活動空間增大，基本頂懸臂梁結構的彎矩加大，會增大裂隙帶高度，增大上覆巖層冒落高度，使得支承壓力峰值較高。而且隨著巷道掘進、工作面回采的不斷推進，受力狀態(tài)還在發(fā)生變化，給支護工作帶來了更大的困難。

（3）服務期間巷道穩(wěn)定性要求高。為了保證回采工作的順利進行，對巷道的可靠性、穩(wěn)定性有較高的要求，因此支護質量必須得到保障。2220回采巷道的維護從工程的角度來說，對巷道的要求較高，由于巷道斷面較大，且應保證整個回采過程中的巷道穩(wěn)定性，所以在正常生產(chǎn)要求的前提下，不允許巷道有大的表面位移。

3 優(yōu)化支護方案

優(yōu)化頂板錨索布置方式為每排兩根，間距3.2m，頂板錨索長度減小為7.0m，每幫增加一根錨桿，減小兩幫錨桿支護排距為0.75m。見圖3。

頂板支護：每排采用Φ20×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿7根，間排距900mm×800mm，其中最外側兩根錨桿距幫300mm，且垂直向外傾斜10°，頂板鋪設Φ4mm×100mm×100mm菱形金屬網(wǎng)，采用5100mm×280mm×3mm的W鋼帶壓網(wǎng)，配套150mm×150mm×10mm碟形墊。錨索加強支護為每排采用Φ21.8×7000mm高預應力錨索2根，間距1800mm，排距3200mm，于巷道中心對稱布置，配套300mm×300mm×16mm鋼托板。

兩幫支護：工作面?zhèn)葞兔颗挪捎忙?0×2000mm玻 璃 鋼 錨 桿5根， 間 排 距900×750mm，其中最上側錨桿距頂板150mm，垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板450mm，垂直向下傾斜10°，掛塑料網(wǎng)并配套相應托板。非工作側幫每排采用Φ18×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿5根，間排距900×750mm，其中最上側錨桿距頂板150mm，且垂直向上傾斜10°，最下側錨桿距底板450mm，垂直向下傾斜10°，鋪設Φ4mm×100mm×100mm菱形金屬網(wǎng)，采用450mm×220mm×4mmW型鋼護板壓網(wǎng)，配套相應鋼托板。

底板支護：采用C25混凝土鋪底，鋪底厚度200mm。

圖3 2220巷優(yōu)化支護方案

4 優(yōu)化支護后的效果

通過FLAC3D進行數(shù)值模擬（模擬結果如圖4所示），經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)優(yōu)化效果較好。圍巖變形對比參數(shù)如表1所示。

通過實踐證明，該方案確實有效地提高了效率，降低了成本。表2為支護變更前后每米巷道支護材料費用表。

圖4 數(shù)值模擬結果

表1 兩種支護方案巷道圍巖變形量對比

表2 支護變更前后每米巷道支護材料費用表

從表1和表2中數(shù)據(jù)可以看出，采用優(yōu)化后的支護方案能夠有效降低頂板下沉量、底板鼓起量、兩幫位移量，改善巷道表面收斂，有效提高了巷道圍巖的穩(wěn)定性。同時，從優(yōu)化后的支護方案參數(shù)可以看出，錨桿錨索的消耗數(shù)量減少，節(jié)約了成本，縮短了支護所需要的時間。綜上所述，采用優(yōu)化方案，可以在保證安全的前提下，縮短工期，加快巷道掘進速度，降低勞動強度，節(jié)約支護成本，實現(xiàn)支護工藝的最優(yōu)化。

5 結語

本文對馬脊梁礦2220巷變形破壞問題進行了分析，針對原支護方案中錨桿與錨索布置缺乏協(xié)調性、起不到良好支護的問題進行了支護優(yōu)化。對優(yōu)化結果進行數(shù)值模擬，驗證了方案的可行性。通過實踐發(fā)現(xiàn)該方案能夠降低圍巖變形程度，提高穩(wěn)定性，同時可以節(jié)約成本41.36元/m。