巷道支护参数的设计及优化分析

韩天问

（西山煤电股份有限公司西铭矿， 山西 太原 030053）

引言

巷道的支护效果和支护质量是煤矿安全生产的基础，每个综采工作面地质、水文以及煤层特点各不相同，其对应的支护参数也各有区别。因此，巷道的支护参数应与其所应用工作面地质、水文以及煤层等条件以及围岩的变形特征相匹配，使其支护方案效果达到最佳[1]。本文以32617运输大巷为研究对象，着重分析不同支护参数对巷道围岩变形的影响。

1 工程概况

经现场测量，32617运输大巷的断面尺寸为6.4m×5.2 m，巷道断面的拱形高度为3.2 m，32617运输大巷工作面走向长度为1 817 m、倾斜长度为187.4 m，面积为340 505.8 m2，倾角为2°～11°，平均5°。该工作面所采9号煤层裂隙发育，结构简单，局部地段煤层下部夹0.2 m的页岩或炭质页岩，厚度变化不大，属于稳定煤层。

煤层顶板（伪顶、直接顶、老顶）：描述煤层顶板岩石性质、层理、节理、厚度、强度（硬度）、顶板分类等情况及其变化情况。煤层顶底板岩层情况如表1所示。

最大涌水量25 m3/h，正常涌水量为0～5 m3/h；瓦斯绝对涌出量为2 m3/min；煤尘爆炸指数为21.33%，具有爆炸性，自燃倾向性等级为Ⅱ级，易自燃。

表1 32617运输大巷工作面煤层顶底板岩层情况表

2 巷道支护参数的初步确定

针对32617运输大巷的地质、水文以及煤层特征，结合相关理论计算及支护经验，初步拟定32617运输大巷采用锚杆+锚索联合支护的方式进行支护，支护参数初步设计如下：

2.1 锚杆支护参数的初步确定

2.1.1 顶板锚杆支护参数

鉴于32617运输大巷软岩巷道，结合支护经验要求：针对软岩巷道其锚杆支护间距的范围一般在0.5～0.8 m之间。锚杆支护参数的理论计算如下：

2.1.1.1 锚杆支护的有效长度l

式中：a为锚杆的间排距，取0.8 m；b为组合拱的厚度，取1.2 m。将数值代入公式得l=2 m。

2.1.1.2 锚杆的长度L

式中：L1为锚杆的外露长度，取50 mm；L2为锚杆的锚固长度，取最小值为500 mm。将数值代入公式得L=2 550 mm。

2.1.1.3 锚杆的直径d

式中：P为锚杆的锚固力，取117.75 kN；σt为锚杆的抗拉强度，取500MPa。将数值代入公式得d=17.24mm。

结合选型经验及上述理论计算结果，初步拟定锚杆的直径为22 mm，锚杆长度为2.8 m，锚杆的间排距为800 mm。

2.1.2 两帮锚杆支护参数

2.1.2.1 巷道片帮深度C

式中：h为巷道高度，取5.2 m；φ为巷道围岩的内摩擦角，取30°。将数值代入公式得C=3.002 m。

2.1.2.2 两帮锚杆的长度L'

式中：L1为锚杆的外露长度，取50 mm；将数值代入公式得L=3 552 mm。

结合选型经验、上述理论计算结果及顶板锚杆的支护参数，初步拟定两帮锚杆的直径为22 mm、长度为3.55 m、间排距为800 mm。

2.2 锚索支护参数

锚索锚固段的长度L''

式中：K为安全系数，取1.2；Q为锚索的理论载荷值，取256 kN；d'为锚索孔直径，取30 mm，τ为树脂与钢绞线的黏结力，取5 MPa。将数值代入公式得L''=0.93 m。

锚索的总长度Lz

式中，Lp为锚索的有效长度，取5 m；L2'为锚索的外露长度，取0.2 m。将数值代入公式得Lz=6.13 m。

结合锚杆初步拟定的支护参数和锚索的支护参数，初步拟定锚索的直径为22 mm，锚索的总长度为6.3 m，锚索的间排距为1 600 mm。

3 不同支护参数对巷道围岩的影响

本文采用FLAC3D数值模拟软件对不同支护参数下巷道围岩的变形特征进行分析，进而得出巷道的最终支护参数[5]。

3.1 不同锚杆长度对巷道围岩变形的影响

采用控制变量法进行分析，对应锚杆直径为22 mm，锚杆之间的间距为800 mm，对比锚杆长度分别为2.2 m、2.5 m、2.6 m、2.8 m和3.0 m时巷道围岩的变形情况，仿真结果如图1所示。

从图1可以看出：随着锚杆长度的增加对应巷道顶板、底板以及两帮的变形量均在减小。其中，巷道底板的最大变形量由250 mm减小至约170 mm，巷道顶板的最大变形量由215 mm减小至约150 mm，巷道两帮的最大变形量由200 mm减小至140 mm。则，可将锚杆的长度优化为3.0 m。

3.2 不同锚杆直径对巷道围岩变形的影响

采用控制变量法进行分析，对应锚杆长度为3 m，锚杆之间的间距为800 mm，对比锚杆直径分别为16 mm、18 mm、20 mm、22 mm以及 24 mm时巷道围岩的变形情况，仿真结果如图2所示。

从图2可知：随着锚杆直径的增加对应巷道顶板、底板以及两帮的变形量均在减小。其中，巷道底板的最大变形量由225 mm减小至约175 mm，巷道顶板的最大变形量由200 mm减小至约150 mm，巷道两帮的最大变形量由180 mm减小至140 mm。则，可将锚杆的直径优化为24 mm。

图1 不同锚杆长度巷道围岩的最大位移

图2 不同锚杆直径下巷道围岩的最大位移

3.3 不同锚杆、锚索间排距对巷道围岩变形的影响

采用控制变量法进行分析，对应锚杆长度为3 m，锚杆直径为24 mm，对比锚杆间排距分别为600 mm×600 mm、650 mm×650 mm、700 mm×700 mm、750 mm×750 mm以及800 mm×800 mm时巷道围岩的变形情况，仿真结果如图3所示：

图3 不同间排距下巷道围岩的最大位移

从图3可知：随着锚杆间排距的增加对应巷道顶板、底板以及两帮的变形量均在增加。其中，巷道底板的最大变形量由105 mm增大至约190 mm，巷道顶板的最大变形量由90 mm增大至约160 mm，巷道两帮的最大变形量由85 mm增大至150 mm。

则，可将锚杆的间排距优化为600mm×600mm。

同理，对不同锚索间排距对巷道围岩变形量影响对比，得出锚索间排距的最优解应为1 200 mm×1 200 mm。

4 结语

1）巷道围岩的支护效果和支护质量与煤矿安全生产息息相关，巷道围岩的支护参数需充分结合巷道断面形状、尺寸及地质、水文以及煤层条件确定。因此，在实际支护中可采用理论计算与仿真分析的手段对巷道支护参数进行优化。

2）以32617运输大巷为研究对象，基于理论计算与仿真分析的联合手段得出其最优支护参数如下：锚杆直径为24 mm，锚杆长度为3 m，锚杆间排距为600 mm×600 mm，锚索间排距为1 200 mm×1 200 mm。