巷道支護參數(shù)的設(shè)計及優(yōu)化分析

韓天問

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030053）

引言

巷道的支護效果和支護質(zhì)量是煤礦安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，每個綜采工作面地質(zhì)、水文以及煤層特點各不相同，其對應(yīng)的支護參數(shù)也各有區(qū)別。因此，巷道的支護參數(shù)應(yīng)與其所應(yīng)用工作面地質(zhì)、水文以及煤層等條件以及圍巖的變形特征相匹配，使其支護方案效果達到最佳[1]。本文以32617運輸大巷為研究對象，著重分析不同支護參數(shù)對巷道圍巖變形的影響。

1 工程概況

經(jīng)現(xiàn)場測量，32617運輸大巷的斷面尺寸為6.4m×5.2 m，巷道斷面的拱形高度為3.2 m，32617運輸大巷工作面走向長度為1 817 m、傾斜長度為187.4 m，面積為340 505.8 m2，傾角為2°～11°，平均5°。該工作面所采9號煤層裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡單，局部地段煤層下部夾0.2 m的頁巖或炭質(zhì)頁巖，厚度變化不大，屬于穩(wěn)定煤層。

煤層頂板（偽頂、直接頂、老頂）：描述煤層頂板巖石性質(zhì)、層理、節(jié)理、厚度、強度（硬度）、頂板分類等情況及其變化情況。煤層頂?shù)装鍘r層情況如表1所示。

最大涌水量25 m3/h，正常涌水量為0～5 m3/h；瓦斯絕對涌出量為2 m3/min；煤塵爆炸指數(shù)為21.33%，具有爆炸性，自燃傾向性等級為Ⅱ級，易自燃。

表1 32617運輸大巷工作面煤層頂?shù)装鍘r層情況表

2 巷道支護參數(shù)的初步確定

針對32617運輸大巷的地質(zhì)、水文以及煤層特征，結(jié)合相關(guān)理論計算及支護經(jīng)驗，初步擬定32617運輸大巷采用錨桿+錨索聯(lián)合支護的方式進行支護，支護參數(shù)初步設(shè)計如下：

2.1 錨桿支護參數(shù)的初步確定

2.1.1 頂板錨桿支護參數(shù)

鑒于32617運輸大巷軟巖巷道，結(jié)合支護經(jīng)驗要求：針對軟巖巷道其錨桿支護間距的范圍一般在0.5～0.8 m之間。錨桿支護參數(shù)的理論計算如下：

2.1.1.1 錨桿支護的有效長度l

式中：a為錨桿的間排距，取0.8 m；b為組合拱的厚度，取1.2 m。將數(shù)值代入公式得l=2 m。

2.1.1.2 錨桿的長度L

式中：L1為錨桿的外露長度，取50 mm；L2為錨桿的錨固長度，取最小值為500 mm。將數(shù)值代入公式得L=2 550 mm。

2.1.1.3 錨桿的直徑d

式中：P為錨桿的錨固力，取117.75 kN；σt為錨桿的抗拉強度，取500MPa。將數(shù)值代入公式得d=17.24mm。

結(jié)合選型經(jīng)驗及上述理論計算結(jié)果，初步擬定錨桿的直徑為22 mm，錨桿長度為2.8 m，錨桿的間排距為800 mm。

2.1.2 兩幫錨桿支護參數(shù)

2.1.2.1 巷道片幫深度C

式中：h為巷道高度，取5.2 m；φ為巷道圍巖的內(nèi)摩擦角，取30°。將數(shù)值代入公式得C=3.002 m。

2.1.2.2 兩幫錨桿的長度L'

式中：L1為錨桿的外露長度，取50 mm；將數(shù)值代入公式得L=3 552 mm。

結(jié)合選型經(jīng)驗、上述理論計算結(jié)果及頂板錨桿的支護參數(shù)，初步擬定兩幫錨桿的直徑為22 mm、長度為3.55 m、間排距為800 mm。

2.2 錨索支護參數(shù)

錨索錨固段的長度L''

式中：K為安全系數(shù)，取1.2；Q為錨索的理論載荷值，取256 kN；d'為錨索孔直徑，取30 mm，τ為樹脂與鋼絞線的黏結(jié)力，取5 MPa。將數(shù)值代入公式得L''=0.93 m。

錨索的總長度Lz

式中，Lp為錨索的有效長度，取5 m；L2'為錨索的外露長度，取0.2 m。將數(shù)值代入公式得Lz=6.13 m。

結(jié)合錨桿初步擬定的支護參數(shù)和錨索的支護參數(shù)，初步擬定錨索的直徑為22 mm，錨索的總長度為6.3 m，錨索的間排距為1 600 mm。

3 不同支護參數(shù)對巷道圍巖的影響

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同支護參數(shù)下巷道圍巖的變形特征進行分析，進而得出巷道的最終支護參數(shù)[5]。

3.1 不同錨桿長度對巷道圍巖變形的影響

采用控制變量法進行分析，對應(yīng)錨桿直徑為22 mm，錨桿之間的間距為800 mm，對比錨桿長度分別為2.2 m、2.5 m、2.6 m、2.8 m和3.0 m時巷道圍巖的變形情況，仿真結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出：隨著錨桿長度的增加對應(yīng)巷道頂板、底板以及兩幫的變形量均在減小。其中，巷道底板的最大變形量由250 mm減小至約170 mm，巷道頂板的最大變形量由215 mm減小至約150 mm，巷道兩幫的最大變形量由200 mm減小至140 mm。則，可將錨桿的長度優(yōu)化為3.0 m。

3.2 不同錨桿直徑對巷道圍巖變形的影響

采用控制變量法進行分析，對應(yīng)錨桿長度為3 m，錨桿之間的間距為800 mm，對比錨桿直徑分別為16 mm、18 mm、20 mm、22 mm以及 24 mm時巷道圍巖的變形情況，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知：隨著錨桿直徑的增加對應(yīng)巷道頂板、底板以及兩幫的變形量均在減小。其中，巷道底板的最大變形量由225 mm減小至約175 mm，巷道頂板的最大變形量由200 mm減小至約150 mm，巷道兩幫的最大變形量由180 mm減小至140 mm。則，可將錨桿的直徑優(yōu)化為24 mm。

圖1 不同錨桿長度巷道圍巖的最大位移

圖2 不同錨桿直徑下巷道圍巖的最大位移

3.3 不同錨桿、錨索間排距對巷道圍巖變形的影響

采用控制變量法進行分析，對應(yīng)錨桿長度為3 m，錨桿直徑為24 mm，對比錨桿間排距分別為600 mm×600 mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm、750 mm×750 mm以及800 mm×800 mm時巷道圍巖的變形情況，仿真結(jié)果如圖3所示：

圖3 不同間排距下巷道圍巖的最大位移

從圖3可知：隨著錨桿間排距的增加對應(yīng)巷道頂板、底板以及兩幫的變形量均在增加。其中，巷道底板的最大變形量由105 mm增大至約190 mm，巷道頂板的最大變形量由90 mm增大至約160 mm，巷道兩幫的最大變形量由85 mm增大至150 mm。

則，可將錨桿的間排距優(yōu)化為600mm×600mm。

同理，對不同錨索間排距對巷道圍巖變形量影響對比，得出錨索間排距的最優(yōu)解應(yīng)為1 200 mm×1 200 mm。

4 結(jié)語

1）巷道圍巖的支護效果和支護質(zhì)量與煤礦安全生產(chǎn)息息相關(guān)，巷道圍巖的支護參數(shù)需充分結(jié)合巷道斷面形狀、尺寸及地質(zhì)、水文以及煤層條件確定。因此，在實際支護中可采用理論計算與仿真分析的手段對巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化。

2）以32617運輸大巷為研究對象，基于理論計算與仿真分析的聯(lián)合手段得出其最優(yōu)支護參數(shù)如下：錨桿直徑為24 mm，錨桿長度為3 m，錨桿間排距為600 mm×600 mm，錨索間排距為1 200 mm×1 200 mm。