錨桿技術(shù)在軟巖巷道支護(hù)中的應(yīng)用與可靠性分析

鄭金平，陳全秋

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030002；2.三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

錨桿技術(shù)在軟巖巷道支護(hù)中的應(yīng)用與可靠性分析

鄭金平1，陳全秋2

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030002；2.三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

經(jīng)過對三元中能煤業(yè)巷道的錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)，得出相應(yīng)支護(hù)參數(shù)，并用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)，分析了支護(hù)體系的安全可靠性，達(dá)到了理想的支護(hù)效果，可為類似煤層地質(zhì)狀況的支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定參考。

錨桿支護(hù)技術(shù)；應(yīng)力分布；可靠性分析

隨著煤礦巷道支護(hù)工程實(shí)踐的發(fā)展，適用于不同條件的支護(hù)理論逐步得到完善。目前，錨桿支護(hù)技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用，但在軟巖巷道支護(hù)方面還存在著一些不確定性；本文借用三元中能煤業(yè)礦井為設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述軟巖巷道采用錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)方法及可靠性分析[1-4]。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

三元中能煤業(yè)礦井位于沁水煤田，地處太行山脈中段西側(cè)、山西上黨盆地西部，礦井為全隱覆井田，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240萬t/a，低瓦斯礦井。主采3號煤層，埋藏深度500 m左右，煤層平均厚度5.08 m。距煤層底板0.6 m處多有一層較為穩(wěn)定的夾矸，其厚度0.15 m～0.40 m、平均0.28 m，其巖性一般為泥巖或炭質(zhì)泥巖。煤層頂板影響范圍內(nèi)一般為砂質(zhì)泥巖、泥巖或粉砂巖，局部為不同粒級的砂巖。直接頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、局部為粉砂巖，厚0.86 m～9.35 m，巖性變化較大。

2 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案

目前，國內(nèi)外錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的許多方法，盡管有一定的指導(dǎo)性，但均存在著不全面性，而且設(shè)計(jì)是獨(dú)立的，它與工程施工存在著脫節(jié)現(xiàn)象[5]。本文采用Information Method錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法，收集工程本身提供的和通過測試、地質(zhì)力學(xué)評估提供的有關(guān)工程信息，運(yùn)用錨桿支護(hù)理論，采用全過程動態(tài)分析手段，進(jìn)行錨桿支護(hù)的跟蹤設(shè)計(jì)。期望徹底解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在的問題，使其具有動態(tài)性、真實(shí)性、理論性、可操作性等功能，將工程地質(zhì)、支護(hù)理論、現(xiàn)場施工與觀測融于整個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)是目前較為科學(xué)的設(shè)計(jì)方法之一。

（1）設(shè)計(jì)過程：支護(hù)設(shè)計(jì)前，對工程所處的圍巖特性、地層應(yīng)力、地質(zhì)力學(xué)圍巖類別進(jìn)行測試、實(shí)驗(yàn)、分類，提供設(shè)計(jì)所需的全部信息資料。在此基礎(chǔ)上，利用支護(hù)理論和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，確定支護(hù)參數(shù)；施工過程中利用監(jiān)測儀器進(jìn)行錨桿受力測試和圍巖位移、離層、收斂等變形監(jiān)測；根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證初始設(shè)計(jì)質(zhì)量，并進(jìn)行進(jìn)一步的修正設(shè)計(jì)參數(shù)，以使設(shè)計(jì)完全符合工程實(shí)際情況；最終達(dá)到設(shè)計(jì)正確、參數(shù)合理、經(jīng)濟(jì)高效的目的。

（2）支護(hù)參數(shù)確定：三元中能煤業(yè)3號煤層埋藏深度約500 m，頂、底板以層狀泥巖、砂巖為主，巷道斷面4.0 m×3.2 m，沿底板掘進(jìn)。由巖層分布狀況可知，巷道兩幫巖性較頂、底板軟弱，且兩幫與頂、底間的層理強(qiáng)度較低，易發(fā)生兩幫煤體沿層理向巷道空間擠出，產(chǎn)生松動、劈裂破壞；所以通過有限元數(shù)值計(jì)算，對煤壁破壞區(qū)范圍進(jìn)行模擬。煤壁破壞區(qū)范圍運(yùn)用庫侖—摩爾準(zhǔn)則確定：式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；c為粘結(jié)力。

庫侖—摩爾準(zhǔn)則安全系數(shù)定義為：

根據(jù)庫侖—摩爾準(zhǔn)則運(yùn)用有限元數(shù)值模擬。取SFmin=1.2，通過以上分析確定模擬方案得出如下支護(hù)參數(shù)：頂部5根錨桿，錨桿間距0.85 m，長度為2.4 m，設(shè)計(jì)錨固力為10 t；幫3根錨桿，長度1.8 m，間距為1.0m，設(shè)計(jì)錨固力6t。錨桿分布方案，見圖1。

3 可靠性分析

圖1 巷道錨桿布置斷面圖

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對方案確定的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，巷道無支護(hù)和使用錨桿支護(hù)之后進(jìn)行對比，見圖2-圖7。

圖2 無支護(hù)下巷道圍巖水平應(yīng)力分布圖

圖4 無支護(hù)下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖

圖5 錨固巷道圍巖垂直應(yīng)力分布

圖6 無支護(hù)下巷道圍巖剪應(yīng)力分布圖

圖7 錨固巷道圍巖剪應(yīng)力分布圖

可知：在無支護(hù)對比錨固之后，軟巖巷道應(yīng)力分布發(fā)生了很大變化，錨固能有效地抑制巷道變形。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地試驗(yàn)和長期觀測，到達(dá)預(yù)期效果，充分說明錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)確定的方案和支護(hù)參數(shù)是合理的，現(xiàn)場應(yīng)用是安全可靠的。

4 結(jié)束語

通過Information Method錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法和數(shù)值模擬確定的錨桿支護(hù)方案和參數(shù)是正確的，在軟巖巷道支護(hù)方面是合理的，所定參數(shù)將為煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提供了一定的理論依據(jù)和實(shí)踐參考。

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2]楊永亮，孔祥義，王君燁.軟巖巷道支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用[J],煤炭技術(shù),2009,28(2):154-156.

[3]楊德傳.煤巷錨桿支護(hù)應(yīng)用現(xiàn)狀研究理論及當(dāng)前研究重點(diǎn)[J].煤礦開采,2005,10(6):13-34.

[4]趙衛(wèi)東，張?jiān)倥d.噴錨網(wǎng)支護(hù)原理及應(yīng)用實(shí)踐[J].有色金屬：礦山部分，2010,62（2）：17-19.

[5]李剛，梁冰，張國華.高應(yīng)力軟巖巷道變形特征及其支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2009,26(2):183-186.

Application and Reliability Analysis of Anchoring Support for Soft Rock Roadways

ZHENG Jin-ping1,CHEN Quan-qiu2
(1.Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030002;2.Sanyuan China Energy Coal Industry Co.,Changzhi Shanxi 046000)

By the analysis on anchoring support plan in Sanyuan China Energy Coal Industry Co.,corresponding supporting parameters were achieved.The numerical simulation and field tests were used to study its reliability.The results showed the ideal effect and the study could offer some reference for the supporting design in the similar geological condition.

anchoring support technology;stress distribution;reliability analysis

TD353

A

1672-5050（2012）02-0068-03

2011-11-20

鄭金平（1981—），男，山西呂梁人，在讀工程碩士，助理工程師，從事煤炭生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

徐樹文