煤矿巷道快速掘进技术中支护参数优化及围岩稳定性分析

1 煤矿巷道快速掘进技术与支护技术概述

1.1 煤矿巷道快速掘进技术

煤矿巷道快速掘进技术是提高煤矿开采效率的核心技术之一，常见的快速掘进技术包括悬臂式掘进机掘进、连采机掘进以及全断面掘进机掘进等。

悬臂式掘进机具有灵活多变、适应性强的特点，能够适应不同地质条件和巷道断面形状的掘进需求，在我国煤矿巷道掘进中应用较为广泛。它通过截割头的旋转和摆动，将煤岩破碎，然后利用刮板输送机和胶带输送机将破碎的煤岩运出。连采机掘进则适用于煤巷掘进，具有较高的掘进效率，可实现连续采煤和运输作业。全断面掘进机主要用于岩巷掘进，其掘进速度快、成巷质量高，但设备成本高、对地质条件要求较为苛刻。

1.2 煤矿巷道支护技术

煤矿巷道支护技术是保障巷道围岩稳定的重要手段，主要包括主动支护和被动支护。主动支护以锚杆支护、锚索支护为代表，通过向围岩内部施加锚固力，提高围岩的自承能力，控制围岩变形；被动支护如棚式支护、砌碹支护等，主要是通过外部结构对围岩进行支撑和保护。

锚杆支护是目前煤矿巷道应用最为广泛的支护方式之一，其工作原理是利用锚杆与围岩之间的摩擦力和粘结力，将不稳定的围岩锚固在深部稳定岩体中，形成组合梁或悬吊结构，从而提高围岩的稳定性。锚索支护则是在锚杆支护的基础上，通过施加较大的预应力，对围岩进行深层锚固，适用于围岩变形较大、稳定性较差的巷道。喷锚网联合支护将喷射混凝土、锚杆和金属网相结合，能够及时封闭围岩表面，防止风化和碎落，同时与锚杆、金属网共同作用，提高围岩的整体稳定性。

2 支护参数对围岩稳定性的影响分析

2.1 锚杆参数的影响

（1）锚杆长度：锚杆长度直接影响其锚固效果和对围岩的控制能力。一般来说，锚杆长度越长，锚固到稳定岩体中的深度越大，能够提供的锚固力也就越大，对围岩的悬吊和组合梁作用越明显，有利于控制围岩的变形和破坏。但过长的锚杆会增加支护成本，同时施工难度也会增大。在软岩巷道中，适当增加锚杆长度可有效提高支护效果；而在坚硬岩层巷道中，锚杆长度需根据围岩的完整性和稳定性合理确定。

（2）锚杆直径：锚杆直径决定了锚杆的抗拉强度和抗剪强度。较大直径的锚杆能够承受更大的拉力和剪力，在围岩变形较大时，不易发生破断，从而保证支护结构的稳定性。然而，锚杆直径过大也会增加钻孔难度和支护材料成本。因此，在选择锚杆直径时，需要综合考虑围岩的力学性质、巷道的埋深以及所受的地应力大小等因素。

（3）锚杆间排距：锚杆间排距影响着锚杆对围岩的整体支护效果。较小的间排距能够使锚杆形成的压缩拱相互叠加，增强对围岩的支护作用，有效控制围岩的局部变形和破坏。但间排距过小会增加锚杆数量，提高支护成本；间排距过大则可能导致锚杆支护范围出现盲区，无法有效控制围岩变形。合理的锚杆间排距应根据围岩的破碎程度、地应力分布以及锚杆的锚固力等因素进行优化确定。

2.2 锚索参数的影响

（1）锚索长度：锚索长度的确定与巷道围岩的不稳定区域深度密切相关。较长的锚索能够锚固到更深层的稳定岩体中，提供更大的锚固力和悬吊作用，对深部围岩的变形控制效果显著。在深部巷道或围岩破碎严重的区域，适当增加锚索长度可有效提高围岩的稳定性。但锚索长度过长会增加施工难度和成本，同时可能会受到巷道空间的限制。

（2）锚索直径：锚索直径决定了锚索的承载能力。较大直径的锚索能够承受更高的预应力和更大的拉力，在控制围岩大变形和防止顶板垮落方面具有优势。但直径过大的锚索会增加钻孔直径和施工难度，且成本较高。因此，需根据巷道的实际受力情况和

围岩条件，合理选择锚索直径。

（3）锚索预应力：锚索预应力是发挥锚索主动支护作用的关键因素。较高的预应力能够使锚索快速对围岩施加约束，有效抑制围岩的早期变形，提高围岩的整体性和稳定性。同时，预应力的大小还会影响锚索的锚固效果和支护范围。但过高的预应力可能会导致围岩局部受压破坏，而过低的预应力则无法充分发挥锚索的支护作用。因此，需要根据围岩的力学性质和巷道的受力状态，合理确定锚索预应力值。

3 基于数值模拟与现场监测的支护参数优化案例研究

3.1 工程概况

某煤矿巷道埋深约 600m ，巷道断面形状为矩形，宽 4.5m ，高 3.5m 。巷道掘进区域主要为砂质泥岩和粉砂岩，岩层节理裂隙发育，局部存在断层构造，围岩稳定性较差。该巷道采用悬臂式掘进机进行快速掘进，原设计支护方案为锚杆支护，锚杆长度 2.0m ，直径 22mm ，间排距 1.0m×1.0m ，未布置锚索。在掘进过程中，巷道围岩出现了较大变形，顶板下沉量和两帮收敛量超出了设计允许范围，存在安全隐患。

3.2 数值模拟分析

采用 FLAC3D 数值模拟软件，建立该巷道的三维数值模型，模拟不同支护参数下巷道围岩的应力、应变分布情况。根据工程地质条件，选取合理的岩体力学参数，对原设计支护方案和优化后的支护方案进行模拟对比分析。

在原设计支护方案模拟中，巷道开挖后，顶板和两帮围岩出现明显的应力集中现象，顶板下沉量和两帮收敛量较大，部分区域围岩出现塑性破坏。通过改变锚杆长度、直径、间排距以及增加锚索支护等参数，进行多组模拟试验。结果表明，将锚杆长度增加至2.4m ，直径增大到 24mm ，间排距调整为 0.8m×0.8m ，并布置锚索（长度 8.0m ，直径17.8mm ，预应力 150kN，间排距 1.6m×1.6m ）后，巷道围岩的应力分布更加均匀，塑性区范围明显减小，顶板下沉量和两帮收敛量显著降低，围岩稳定性得到有效提高。

3.3 现场监测

在优化后的支护方案实施过程中，对巷道围岩进行了实时监测。监测内容包括顶板下沉量、两帮收敛量、锚杆（索）受力等。通过在巷道内布置多点位移计、收敛计和锚杆（索）测力计等监测仪器，定期采集数据并进行分析。

监测结果表明，优化后的支护方案有效控制了巷道围岩的变形。在巷道掘进期间，顶板下沉量最大为 80mm ，两帮收敛量最大为 100mm ，均在设计允许范围内；锚杆（索）受力稳定，未出现过载破断现象，说明优化后的支护参数能够满足巷道围岩稳定性的要求，保障了巷道的快速掘进和安全生产。

4 结束语

本研究揭示了支护参数与围岩稳定性之间的内在联系，并通过数值模拟与现场监测手段实现了支护参数的优化。然而，在深部开采和复杂地质条件等新挑战面前，相关研究仍需进一步深化。未来的研究方向应聚焦于复杂环境下的支护技术创新，结合智能技术以实现动态优化，并致力于新型支护材料工艺的研发，以巩固煤矿巷道安全高效掘进的技术基础。

参考文献：

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