基于加权平均评价法的巷道支护设计研究

林继凯

(山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治 047100)

1 基于加权平均评价法的煤巷围岩支护设计方法

1.1 加权平均评价法数学模型

加权平均评价法是综合考虑所有指标信息，通过加权求和得到一个综合分值，并以此综合分值来评估评价对象的方法。其基本模型为：

式中：

y-综合评价分值；

ci-第i个指标的评价分值；

wi-第i个指标的权重。

1.2 基于加权平均评价法的煤巷锚杆支护设计

本文是在计算煤巷围岩稳定性等级基础上，参考煤巷锚杆支护技术规范及相关工程案例，来确定煤巷锚杆基本支护形式与主要参数。煤巷围岩稳定性等级具体计算方法如下：

依据《我国缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》，选择7个煤巷围岩稳定性影响因素作为评价指标，并将巷道围岩稳定性划分为5个等级，详见表1，利用层次分析法得到各指标权重，详见表2。

根据公式（1），结合上文确定的煤巷围岩稳定性评价指标及指标权重，得到加权平均评价计算公式为：

式中：

ci-i=1，2，……，7，为对应煤巷围岩稳定性评价指标评分值，具体取值参考表1。

煤巷的围岩稳定性取决于y的数值，标准为：极稳定（0≤y＜2），稳定（2≤y＜4），较稳定（4≤y＜6），不稳定（6≤y＜8），极不稳定（8≤y≤10）。

2 实例应用

2.1 工程背景

经坊煤业3-6012回风顺槽位于3#煤层内，埋深约260m。3号煤层平均厚度约6.2m，煤层倾角2°～6°，煤层直接顶为砂质泥岩，平均厚度为3.15m，基本顶为粗粒砂岩，平均厚度为8.3m，底板为砂质泥岩，局部为细砂岩。顶底板岩层分布情况详见表3。

表1 评价指标及评价分值对应表

表2 评价指标权重

表3 经坊煤业3-6012回风顺槽顶、底板情况表

2.2 评价结果

根据3-6012回风顺槽基本情况，总结出指标数值，并结合表1得出各指标评分值，详见表4。将各评价指标评分值代入公式（2），得到评价结果为：y=5.28，则确定3-6012回风顺槽围岩为Ⅲ类较稳定围岩。

表4 3-6012回风顺槽围岩稳定性评价指标取值

2.3 支护参数确定

参照煤巷锚杆支护技术规范推荐的Ⅲ类围岩锚杆基本支护形式，综合考虑生产技术条件、支护成本、巷道掘进速度，最终确定经坊煤业南翼六采区3-6012回风顺槽支护方案为：顶板锚杆直径22mm，长度2.4m，间排距0.85m，两排锚杆打2根锚索，锚索长度8.3m；巷帮锚杆直径22mm，长度2.0m，间排距0.8m。详见图1。

图1 支护设计断面图

2.4 验证分析

（1）数值模拟

为验证上文提出的锚杆支护方案的有效性，采用FLAC3D数值模拟软件计算支护前后巷道围岩移近量。根据经坊煤业3-6012回风顺槽工程地质情况，煤层埋藏深度取260m，煤层厚度取6.2m，沿煤层底板掘进，断面尺寸4000×3000mm，模型共划分24640个单元，27405个节点，模型网格划分详见图2。

图2 数值模拟模型网格划分图

通过对比支护前与采用支护后巷道围岩变形情况，可知提出的支护方案能够有效保证经坊煤业3-6012回风顺槽围岩的稳定性，显著地降低了巷道断面收缩变形。从模拟结果变形图中可以看出，无支护条件下顶板下沉量最大为19.7mm，两帮移近量57mm。支护后巷道顶板下沉量和两帮移近量均在10mm以下，说明采用的锚杆支护方案改善了围岩条件，极大地减少了围岩位移量。详见图3、图4。

（2）结果分析

通过数值模拟计算结果可知，经坊煤业3-6012回风顺槽在无支护条件下围岩变形量较小，围岩稳定性较好，所以将该巷道围岩划分为Ⅲ类较稳定围岩是合理的，说明运用加权平均评价法对巷道围岩进行分类的方法是可靠的。

对比分析支护前后数值模拟计算结果可知，提出的支护方案显著控制了经坊煤业3-6012回风顺槽围岩变形，保障了围岩稳定性，说明基于加权平均评价法的支护参数设计方法是可行的。

图3 支护前后垂直位移云图

图4 支护前后水平位移云图

3 结论

本文提出了基于加权平均评价法的煤巷围岩支护设计方法，并通过计算分析得出经坊煤业3-6012回风顺槽围岩为Ⅲ类较稳定围岩，并以此为基础确定支护方案为：顶板锚杆直径22mm，长度2.4m，间排距0.85m，两排锚杆打2根锚索，锚索长度8.3m；巷帮锚杆直径22mm，长度2.0m，间排距0.8m。通过数值模拟计算，得到支护后巷道顶板下沉量和两帮移近量均在10mm以下，验证了基于加权平均评价法的煤巷围岩支护设计方案是可靠的。