矿井煤层巷道支护优化设计研究

张照宇

（晋能控股煤业集团马脊梁矿机掘三队，山西 大同 037000）

引言

矿井巷道支护是开采生产中的关键环节，在设计确定合理有效的支护方案前，需要综合考虑以下几方面：一是巷道支护的力学过程比较复杂，巷道支护包含有围岩、支架两个组成部分，围岩是施力和受力的综合体，不仅能够约束围岩变形，还能向巷道空间位移；二是多种因素作用会影响支架的变形与破坏，且影响程度是不确定的，影响因素有巷道的尺寸和形状、岩体结构、原岩应力等，这些不同因素对巷道支架破坏的影响程度、影响过程是不同的；三是矿井巷道会受到采矿和回采动压的影响，不仅能够加强巷道的支护，还能够满足巷道支护的使用时间，保证巷道支护使用的安全性；四是矿井巷道支护设计方案要满足理论和实践的相融合，巷道支护与围岩应力分布，与原岩应力、围岩和支架的作用都相互关联[1]。目前，由于巷道支护多采用经验判断或是工程类比的方法，会出现巷道支护可靠性较低情况，使巷道的返修率高，这样不仅会影响生产，同时又增加了巷道的支护成本[2]，因此，必须应用好矿井巷道先进的支护设计方案，并结合不同矿井实际，设计出合理有效的巷道支护设计方案。本文主要对比分析矩形巷道支护优化改为圆弧形巷道支护形式后，巷道支护效果的安全可行性，进而达到有效控制巷道变形的目的，确保巷道支护系统的安全。

1 围岩松动圈的简要介绍

在矿井巷道开挖中，开挖周边的围岩首先出现破碎，并慢慢向围岩深部扩展，直至一定深度后再达到新的平衡状态，此时，在巷道周围就会形成以巷道圆弧中心为圆心的塑形区间的圆形区域，该塑形区间的大小不仅与巷道断面尺寸有关，还与围岩物理力学性能有关。因此，在矿井煤层巷道支护设计中，就是要保证塑形区内的岩体不会垮塌，也不会产生较大的变形。基于松动圈的作用机理，其已被广泛应用在煤巷支护设计中，尤其是应用在圆弧拱形的巷道断面形式中[3]。

依据松动圈原理，巷道围岩被开挖后，围岩中出现的松弛破碎带就是松动圈，为获得较好的锚杆支护效果，锚杆采用打穿松动圈，实际锚杆长度大于松动圈内塑形区的宽度，将塑形区内的围岩锚固到上层稳定的岩层中，才能获得更好的巷道支护效果[4]。

2 矿井煤层巷道支护优化设计研究

本文以某矿为对象，其顶板是以泥岩和页岩为主的岩性，还零散分布粉砂岩、砂质泥岩和粗砂岩，且煤层厚度为2.8～10.1 m，平均煤厚为6.64 m。

原巷道支护设计是应用以往巷道支护的经验，即采用矩形断面形式的巷道支护。由于在矩形巷道支护中，顶板会受到较大的压力和弯矩而出现垮落，为实现巷道支护的稳定和安全，锚杆必须采用打穿冒落拱，让受扰动的岩体能够悬吊在坚硬的岩层上。因此，设计为：顶板全部采用锚杆+锚索+钢筋梯+菱形金属网+C30 混凝土的支护形式，其中，对于煤层顶板较厚的位置，可适当应用加长锚索或者更长的锚索进行支护，最大限度地发挥锚索的锚固力，此外，还采用菱形金属网对巷道表面围岩进行控制，并在钢筋梯的固定下使其紧贴岩壁。矩形巷道支护设计如下页图1 所示。

图1 原矩形断面形式的巷道支护设计图（单位：mm）

对于巷道断面形状的选择，还需要综合考虑现有的支护状况和支护条件，根据以往施工经验，当本矿煤层全部采用矩形断面的巷道支护时，会使用大量的锚杆、锚索及组合锚索进行巷道的支护，不仅浪费支护材料，使支护成本增加，且支护效果也不明显。同时，结合本矿煤层赋予条件以及原岩初始应力场的基本情况，采用圆弧巷道的断面形式进行优化支护，并取消锚索和组合锚索的使用，即采用锚杆+菱形金属网+W 型钢带+喷射混凝土的支护形式，其中，同样采用菱形金属网对巷道表面围岩进行控制，并配合W 型钢。优化后的支护设计如图2 所示。

图2 优化后圆弧形断面形式的巷道支护设计图（单位：mm）

为验证优化后支护设计方案的安全可行，将原矩形巷道采用的支护方式与圆弧巷道采用的支护形式进行对比分析，主要模拟研究两种状态下顶底板的变形情况，进而确定优化支护方案的合理性和实用性。

通过对比分析圆弧形巷道与矩形巷道支护形式下的顶板位移变化情况，得到图3 所示的曲线。

图3 中，对于圆弧形巷道优化支护形式，顶板竖直方向上的最大位移值大小是24.0 mm，对于矩形巷道在原支护形式下，竖直方向上的最大位移值大小是27.31 mm。通过对比可知，圆弧形巷道在现有的支护条件下竖直方向上的变形量小于矩形巷道。虽然矩形巷道增加了锚索作用效果，但还是没有圆弧形巷道能够更好地控制巷道顶板的下沉，综上可知，选择合理的巷道断面形式，对控制围岩顶板下沉变形有着重要的影响。

图3 对比圆弧形巷道和矩形巷道支护形式下的顶板位移量

同样，通过对比分析圆弧形巷道与矩形巷道支护形式下的底板位移变化情况，得到图4 所示的曲线。

图4 对比圆弧形巷道和矩形巷道支护形式下的底板位移量

图4 中，对于圆弧形巷道优化支护形式，底板方向上的最大位移值大小是3.56 mm，对于矩形巷道在原支护形式下，竖直方向上的最大位移值大小是5.84 mm，对比两种状态下的计算分析结果可知，圆弧形巷道最大底鼓范围仅占全区的0.3%，而矩形巷道约占0.8%，且出现底鼓的范围也比矩形巷道明显要小。

3 结论

为选取合理的巷道断面形状，使围岩受力均匀并降低围岩的破坏。本文主要分析矩形巷道采用锚杆+锚索+钢筋梯+菱形金属网+C30 混凝土的支护形式，优化改为圆弧形巷道采用锚杆+菱形金属网+W 型钢带+喷射混凝土的支护形式后，模拟对比研究两种状态下顶底板的变形情况，结论如下：

圆弧形巷道支护形式下的顶底板变形量均小于矩形巷道，且出现底鼓的范围也比矩形巷道明显要小，表明圆弧形巷道支护设计方案能够减小围岩的变形，支护效果安全有效。