综放工作面顺槽巷道支护优化研究与应用

李胜利 王 宁 王全明

（1.山西科技学院，山西 晋城 048000；2.晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西 长治 046600）

1 工程背景

晋能控股煤业集团赵庄二号井位于长治市长子县，目前开采3#煤层，煤层埋深480～530 m，煤层均厚4.26 m。煤层顶板为深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩；底板为黑色泥岩、砂质泥岩，深灰色粉砂岩。井田构造复杂程度为中等[1]。原有顺槽巷道支护设计未根据受不同采动影响的情况进行区分，而是采用同一种支护设计，在某种程度上是不够科学合理的[2-3]。

图1 为原综放工作面顺槽巷道支护设计图。顶板支护采用型号为MSGLW-500/22×2400 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，排距1.2 m，间距1.05 m，每排5根锚杆，锚固力不小于150 kN[1]；锚索采用SKP22-1/1720-6400 型1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线，预紧力不小于300 kN，一排2 根，排距2.4 m。巷帮支护采用型号为MSGLW-500/22×2400 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，排距1.2 m，每排4 根，上面3根间距0.9 m，第三根与第四根锚杆间距0.8 m，锚固力不小于150 kN。非回采侧巷帮中部增设帮锚索，采用SKP22-1/1720-5400 型1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线，预紧力不小于250 kN，一排1 根，排距2.4 m。

图1 顺槽巷道原支护设计图（mm）

2 巷道支护优化方案

巷道支护设计应以现有支护参数情况和矿压观测数据、工作面地质资料以及周边地质参数测试数据和工程实践经验作为支护参数确定的依据[4-6]，并在实践过程中不断验证优化。

2.1 煤样力学性质

选取2305 运料横川和2305 运料联络巷采集煤样进行试验。3#煤层煤样用湿式加工法加工成直径50 mm、高100 mm 的圆柱体标准试件，置于通风较好地点放置一周自然风干。煤样三轴压缩试验围压最大值取20 MPa。围压按梯度变化，其大小分别为：0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa。

如表1 所示为3#煤层煤样相应围压下弹性模量等力学参数。由表1 及图2 不同围压下试样结果可以看出，煤样峰值强度、弹性模量的总体变化趋势是随着围压的提高而增大。由于煤样结构松散，内部存在多个节理，自身孔隙率较大，刚度较小。

图2 煤样弹性模量与围压关系曲线

表1 煤样力学参数

表2 为巴西劈裂测得的3#煤层煤样抗拉强度，平均抗拉强度为0.57 MPa。

表2 煤样抗拉强度

分 别 计 算 围 压0 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa 下试样的最大主应力，绘制σ1与σ3的关系曲线，如图3 所示。利用最小二乘法拟合求得二者之间关系式为：σ1=4.082σ3+13.68，残差平方R2=0.984 6，拟合结果较好，线性关系明显。可计算得到3#煤层煤样黏聚力为3.39 MPa 和内摩擦角为37.3°。

图3 煤样σ1 ～σ3 关系回归曲线

2.2 巷帮支护参数计算

支护巷帮所需提供的支护力计算公式为：

为保持巷帮稳定，施加在巷帮的支护力应满足P≥δmax，可得出锚杆的间距计算公式为：

式中：Q为帮锚杆锚固力，150 kN；a1为帮锚杆的间距，m；b1为帮锚杆的排距，1.2 m；r为煤的容重，13.9 kN/m³；d为巷道的半宽，2.4 m；H为巷帮的高度，3.3 m；γ为煤层的内摩擦角，37.3°；f为煤层普氏系数0.6～1.7；k1为锚杆安全系数，一般取1.5～3。

通过选取不同的f值得出计算结果，详见表3。可以得出，煤体强度越高，巷帮支护所需提供的支护力越小。在煤体普氏系数取最小值0.6 情况下，锚杆间距计算结果为1.219 m。

表3 顺槽巷道锚杆间距计算结果表

2.3 优化参数选择

根据上述计算结果，并结合在西盘区2303、2301、2309、2307 等多个综放工作面的顺槽巷道矿压观测情况，认为受单次采动影响或不受采动影响的顺槽巷道支护参数可在现有支护设计基础上进行优化。

顺槽巷道支护参数优化后如图4。优化内容为对顺槽巷帮支护参数进行优化调整，巷帮支护锚杆由原设计4 根减少为3 根，锚杆间距由0.9 m 调整为1.15 m，帮顶角锚杆距顶板距离由0.3 m 调整为0.35 m，巷帮最下部一根锚杆距底板高度0.65 m，并配合W 钢托盘支护巷帮；钢带长度由1.9 m 调整为2.4 m；其余参数不做调整。顶板支护参数不变。

图4 顺槽巷道优化后支护设计图（mm）

3 现场工程应用

为验证顺槽巷道支护设计优化后支护效果，在2312 综放工作面胶带进风顺槽选择长度200 m 巷道进行工程试验。按优化后顺槽巷道支护参数进行施工，并在此段区域和原设计段设置综合测站、顶板离层仪等，每天进行观测，用于进行数据对比。

如图5、图6 所示，为2312 综放工作面回采过程中原支护段与优化段测站围岩变形量情况。通过对比发现，支护参数优化段与原支护设计段巷道围岩变形情况相近，未出现巷帮失稳情况，保证了安全生产，已进一步在2311、2325 等综放工作面推广应用。

图5 原支护段与优化段测站两帮移近量

图6 原支护段与优化段测站顶底移近量

通过支护设计优化，较原巷道设计每排支护可减少2 根锚杆，按照一个掘进队正常掘进期间每天煤巷进尺9 排（10.8 m）计算，可减少施工锚杆18根/天，节约支护时间约1.2 h；提高工效的同时，节省材料费用支出，按照每根锚杆58 元，锚固剂8.8元计算，每米掘进进尺可节省支护材料费用111.3 元。

4 结语

（1）通过力学实验，得出3#煤层煤样峰值强度、弹性模量的总体变化趋势是随着围压的提高而增大，煤样黏聚力3.39 MPa，内摩擦角37.3°，平均抗拉强度为0.57 MPa。

（2）对受单次采动影响或不受采动影响的顺槽巷道支护参数进行优化，优化调整巷帮支护参数，帮锚杆间距由0.9 m 调整为1.15 m。每条巷道每天可节约支护时间1.2 h，每米进尺可节省材料费111.3 元，减少矿井的生产成本，有效提高工效。

（3）通过现场实测对比发现，受采动影响时支护设计优化段与原支护设计段巷道围岩变形情况相近，未出现巷帮失稳情况，经过实践检验，效果良好。