煤矿支护方式优化研究与实践

田志敏， 王晓龙

（同煤集团马脊梁矿， 山西 大同 037002）

随着开采深度的延伸，地质情况与生产条件逐渐复杂，但是多数煤矿的巷道锚杆支护设计仍然使用不够先进的工程类比法，造成设计思路保守，支护强度大于支护需求，既降低了掘进支护的效率，又增加了企业成本。

为了解决这一问题，本文对巷道支护进行研究、对原有支护方式进行优化，力争在满足支护要求的同时尽量降低成本。

1 工作面概况

1.1 工作面概况

同煤集团某矿8220 工作面2220 巷为研究对象，该工作面开采石炭系煤层，煤层埋深平均500 m。2220 巷全长1 614.5 m，采用矩形断面，宽5.4 m，高3.6 m。巷道采用锚杆+锚索+W 型钢带+金属网联合支护（如图1 所示），具体参数如下。

顶板支护：支护方式为锚索网联合支护，7 根排间距为900 mm×900 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，参数为Φ20 mm×2400 mm，最外侧锚杆与巷道两帮相距300 mm，并与两帮成10°倾角；顶板铺设菱形金属网，配合钢带和碟形垫；5 根高预应力锚索，参数为Φ21.8 mm×8 000 mm，间距2 700 mm，其中中间三根锚索排距1600mm，垂直布置；最外侧两角锚索位于巷道顶角处，距相邻锚索1 100 mm，垂直向外倾斜20°布置，配套250 mm×250 mm×16 mm 钢托板。

8220 工作面侧帮（左帮）支护：使用Φ20 mm×2 000mm 玻璃钢锚杆4 根，间排距900 mm×900 mm，其中最上侧锚杆距顶板150 mm，且垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板750 mm，铺设菱形金属网，配合钢带和碟形垫。

右帮支护：使用Φ18 mm×2 000 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆4 根，间排距900 mm×900 mm，其中最上侧锚杆距顶板150 mm，且垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板750 mm，铺设菱形金属网，配合钢带和碟形垫。

底板支护：采用C25 混凝土铺底，铺底厚度200 mm。

图1 2220 回采巷道支护布置图（mm）

1.2 巷道变形破坏特征

图2 2220 巷原支护条件下巷道变形破坏特征

如图2 所示为一组2220 巷原有支护条件局部照片。根据现场实际情况可以看出，巷道顶板和两帮都已经出现了煤体边掘边落的现象，巷道表面部分地方已经明显可以看出不平整。对顶板产生了切割，一定程度上破坏了顶板完整性，且小段工字钢护表面积较小，仅能提供较大抗弯刚度与强度，认为其支护效果不如锚索大托板。分析总结2220 巷变形破坏特征如下：

现有支护中，顶板锚索布置过于集中，难以与锚杆协同支护。角锚索端头护表构件采用小段工字钢，工字钢腹板平行巷道顶板布置，导致两侧工字钢腿

1）2220 巷为顶煤厚度4m 的全煤巷道，巷道顶板和两帮煤体均比较软弱，因此，巷道支护成本高、难度大、进度慢，同时在掘进过程中可能受到复杂地质条件和应力变化，使得巷道应力集中，导致围岩变形。

2）2220 巷煤层属石炭系，老顶是坚硬的砂砾岩，支撑压力峰值相对较大，同时由于受综放工艺影响，工作面揭露空间大，使得顶板活动空间增加，应力影响范围增加，导致基本顶悬臂梁结构的弯矩加大，增大裂隙带高度、增大上覆岩层冒落高度。而且随着巷道掘进、工作面回采的不断推进，受力状态还在发生变化，给支护工作带来了更大的困难。

3）服务期间巷道稳定性要求高

为了保证回采工作的顺利进行，对巷道的可靠性、稳定性有较高的要求，因此支护质量必须得到保障。2220 回采巷道的维护从工程的角度来说，对巷道的要求较高，由于巷道断面较大，且应保证整个回采过程中的巷道稳定性，所以在正常生产要求的前提下，不允许巷道有大的表面位移。

2 2220 巷优化支护方案

2.1 方案一

顶板锚索数量减少为3 根，间距不变，长度减小为7.0 m，每帮增加一根锚杆，减小两帮锚杆支护排距为0.75 m，如图3 所示。

顶板支护：将原支护方案中锚杆间排距改为900 mm×800 mm，碟形垫尺寸选择增大，锚索长度改为7 000 mm 高预应力锚索3 根，间距2 700 mm，排距1 600 mm，垂直布置，配套300 mm×300 mm×16 mm 钢托板。

图3 2220 巷优化支护方案一

两帮支护：将原支护方案中玻璃钢锚杆间排距改为900 mm×750 mm，最下侧锚杆距底板改为450 mm，垂直向下倾斜10°，挂塑料网并配套相应托板。右帮（非工作侧帮）将原支护方案中锚杆改为5 根，间排距900×750 mm，最下侧锚杆距底板距离改为450 mm，垂直向下倾斜10°，铺设Φ4 mm×100 mm×100 mm 菱形金属网，采用450 mm×220 mm×4 mm W 型钢护板压网，配套相应钢托板。

底板支护：采用C25 混凝土铺底，铺底厚度200 mm。

2.2 方案二

优化顶板锚索布置方式为每排两根，间距3.2 m，长度减小为7.0 m，加长两帮锚杆支护为2.4 m，如下页图4 所示。

顶板支护：将原支护方案中锚杆间排距改为900 mm×800 mm，碟形垫尺寸选择增大，锚索长度改为7 000 mm，数量2 根。

两帮支护：工作面侧帮每排采用Φ20mm×2400mm玻璃钢锚杆4 根，间排距900 mm×900 mm，其中最上侧锚杆距顶板150 mm，垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板750 mm，垂直向下倾斜10°，挂塑料网并配套相应托板。非工作侧帮每排采用Φ18 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆4 根，间排距900 mm×900 mm，其中最上侧锚杆距顶板150 mm，且垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板750 mm，垂直向下倾斜10°，铺设Φ4 mm×100 mm×100 mm 菱形金属网，采用450 mm×220 mm×4 mmW 型钢护板压网，配套相应钢托板。

底板支护：采用C25 混凝土铺底，铺底厚度200 mm。

图4 2220 巷优化支护方案二（mm）

2.3 方案三

优化顶板锚索布置方式为每排两根，间距3.2 m，顶板锚索长度减小为7.0 m，每帮增加一根锚杆，减小两帮锚杆支护排距为0.75 m，见图5：

顶板支护：将原支护方案中锚杆间排距改为900 mm×800 mm，碟形垫尺寸选择增大，锚索长度改为7 000 mm，数量2 根。

两帮支护：工作面侧帮每排采用Φ20×2 000 mm玻璃钢锚杆5 根，间排距900 mm×750 mm，其中最上侧锚杆距顶板150 mm，垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板450 mm，垂直向下倾斜10°，挂塑料网并配套相应托板。非工作侧帮每排采用Φ18 mm×2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆5 根，间排距900mm×750 mm，其中最上侧锚杆距顶板150 mm，且垂直向上倾斜10°，最下侧锚杆距底板450 mm，垂直向下倾斜10°，铺设Φ4 mm×100 mm×100 mm 菱形金属网，采用450 mm×220 mm×4 mmW 型钢护板压网，配套相应钢托板。

图5 2220 巷优化支护方案三

底板支护：采用C25混凝土铺底，铺底厚度200mm。

3 2220 巷优化支护效果

通过FLAC3D 进行数值模拟，通过数值计算结果的比较，经比较发现方案三优化效果最好。围岩变形对比参数如表1 所示。下页为表2 为支护变更前后每米巷道支护材料费用表。

表1 两种支护方案巷道围岩变形量对比 mm

从表1 和表2 中数据可以看出，采用优化后的支护方案能够有效降低顶板下沉量、底板鼓起量、两帮位移量，改善巷道表面收敛。有效提高了巷道围岩的稳定性。同时，从优化后的支护方案参数可以看出，锚杆锚索的消耗数量减少，节约了成本，缩短了支护所需要的时间。综上所述，采用优化方案，可以在保证安全的前提下，缩短工期、加快巷道掘进速度、降低劳动强度、节约支护成本，实现支护工艺的最优化。

表2 支护变更前后每米巷道支护材料费用表