综采工作面巷道支护设计及工业性试验

2022-01-27姚勇

机械管理开发 2021年12期

姚勇

（山西孝义西山德顺煤业有限公司，山西孝义 032300）

引言

目前，我国煤矿生产中巷道的掘进技术落后于开采技术，导致煤矿整个生产效率不能够发挥到极致。对于煤矿掘进或者开采而言，最主要的是保证其工作面生产的安全性。除了日常采取的通风、瓦斯抽采、抽水等措施外，还需根据工作面地质、煤层等条件综合支护成本和施工的难易程度确定综采工作面巷道的支护方案[1]。在某种程度上讲，采取合理的支护方案不仅能够降低生产成本，还能够提高生产效率。本文以某矿4322 综采工作面巷道为例开展研究，主要完成该巷道的支护设计并验证支护效果。

1 4322 综采工作面工程概述

本文以某矿4322 综采工作面为例开展研究，该工作面所属矿井的生产能力为4 Mt/年，主要采用综合机械化采煤方式进行开采，并采用全部垮落法对顶板进行管理。经探测，4322 工作面的煤层倾角为0°～3°，煤层厚度范围为2.9～3.1 m，煤层平均厚度为3.08 m。4322 工作面的顶底板条件如表1 所示。

表1 矿区4322 综采工作面地质条件

2 4322 综采工作面支护方案设计

2.1 锚杆支护设计原则

当前，综采工作面主要以锚杆支护为主，本工程同样主要以锚杆为主实现对4322 综采工作面巷道的支护设计[2]。在实际支护过程中需遵循如下原则：

1）综采工作面巷道经采用锚杆支护后工作面围岩强度应远大于未支护的强度，且在保证围岩支护强度的基础上应尽可能的降低锚杆支护密度，为后期巷道的快速掘进和开采奠定基础，能够实现掘进和开采的正常交替。

2）经现场勘测可知，在实际开采过程中综采工作面巷道围岩主要的应力状态为剪切和错动。因此，在锚杆设计时应提升锚杆支护后综采工作面巷道围岩的摩擦力和抗剪切能力，从而保证巷道围岩的稳定性。

3）为锚杆增加适当的预紧力可增加锚杆的支护效果，尤其是解决巷道开挖初期围岩不稳定的情况，从而保证巷道围岩整体的完整性和承载能力。一般情况下，锚杆预紧力应为锚杆屈服载荷的30%～50%。

4）为进一步提升综采工作面巷道围岩的支护效果，在锚杆支护的基础上增加钢带或者金属网的支护，从而整体上提升锚固系统的性能[3]。

2.2 锚杆支护设计的数值模拟基础

为保证后期锚杆支护的效果，本文首先通过数值模拟手段对不同支护方案下对应的巷道围岩的状态进行对比分析，为锚杆支护方案的初步设计提供依据。所搭建的数值模拟模型如下页图1 所示。

图1 4322 综采工作面数值模拟模型

本节对四种不同支护方案的支护效果进行仿真对比分析。支护方案的锚杆均采用长度为2 400 mm，锚杆间距为950 mm、锚杆直径为22 mm；所采用锚索的长度为7 400 mm，锚索间距为2 000 mm。四种不同方案的区别是锚杆排距和锚索排距不同。锚杆排距分别为1.0 m、1.1 m、1.2 m 和1.3 m；对应的锚索排距分别为2.0m、2.2m、2.4m 和2.8m。不同方案下4322综采工作面巷道围岩的变形情况如下页表2 所示。

表2 不同支护方案下4322 综采工作面巷道围岩变形情况

如下页表2 所示，随着锚杆和锚索排间距的增大对应综采工作面巷道的围岩的变形量均在增加。但是，2 号支护方案与1 号支护方案巷道围岩的变形量相差不大，考虑到锚杆排间距大对应的密度较小，支护成本低以及施工周期短的优势，最终确定采用2 号方案对4322 综采工作面巷道进行支护[4]。

2.3 巷道支护的初步设计

在数值模拟的基础上确定的初步支护方案如下：

采用直径为22 mm，长度为2 400 mm，排间距为1.1 m 的锚杆；采用长度为7 400 mm，间距为2 000 mm，排间距为2.2 m 的锚索。其中，工作面顶板每排布置锚杆的数量为6 根，间距为950 mm；两帮每排布置锚杆的数量为3 根，间距为1 200 mm；顶板所每排布置锚索的数量为2 根。4322 综采工作面巷道的支护断面如图2 所示。