云泉9號煤回風(fēng)大巷錨網(wǎng)支護設(shè)計研究

牛鵬飛，邢險峰，楊永康，康天合，張 濤，郭樹理

（1.山西晉神能源有限公司，山西 河曲 36500；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

根據(jù)云泉煤礦地面溝谷及山梁發(fā)育、相對高差達283m、9號煤埋深多變的支護難題，以9號煤回風(fēng)大巷為工程背景，采用圍巖穩(wěn)定性分類、FLAC3D三維數(shù)值模擬等方法，給出了較合理的支護參數(shù)，保證了圍巖的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：9號煤回風(fēng)大巷為Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖；巷道圍巖的破壞均以剪切破壞為主，施工中要特別強調(diào)頂板兩側(cè)錨桿向外傾斜20°，應(yīng)采用球形鎖具或穹形多功能托板；回風(fēng)大巷頂板分有較穩(wěn)定的石灰?guī)r層（厚度≥1m）、無較穩(wěn)定的石灰?guī)r層（厚度＜1m）、破碎圍巖三種情況；盡可能創(chuàng)造條件提高錨桿（索）預(yù)緊力。

1 工程條件分析

1）礦井基本情況。云泉井田地處太行山澤州盆地北部，屬中低山區(qū)，溝谷山梁發(fā)育，地形切割劇烈。井田內(nèi)總地勢東高西低，最高點位于井田中部（海拔1 203 m），最低點位于井田西北部（海拔919.6 m），相對高差283.4 m。井田南部為蓋州煤業(yè)有限公司，東部為四明山煤業(yè)有限公司，西部及北部無其它礦井。山西高平科興云泉煤業(yè)有限責(zé)任公司井田面積8.495 4 km2，核準(zhǔn)能力90萬t/a，準(zhǔn)備開采9號煤層。根據(jù)相近煤礦經(jīng)驗，已開采煤層不影響9號煤巷道圍巖穩(wěn)定性。

2）工程地質(zhì)條件概況。井田構(gòu)造處在我國東部新華夏構(gòu)造體系第三隆起帶的中段，太行隆起帶。井田位于二級構(gòu)造晉（城）-獲（鹿）褶斷帶南段。井田總體構(gòu)造形態(tài)為一褶曲構(gòu)造，地層傾角2°～7°，井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱構(gòu)造，井田構(gòu)造屬簡單類型。井田內(nèi)賦存地層由老到新依次有：奧陶系中統(tǒng)峰峰組（02f）；石炭系中統(tǒng)本溪組（C2b）；石炭系上統(tǒng)太原組（C3t）；二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）；二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）；二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）；第四系（Q）。

3）煤層及頂?shù)装鍘r性。9號煤厚1.13～2.03 m，平均1.45m。頂板為石灰?guī)r或泥巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖；底板多為砂質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖，局部為粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖或泥巖。石灰?guī)r頂板厚0～2.14m，平均1.58m，其上為泥巖、砂巖和8號煤，屬下硬上軟的復(fù)合頂板；泥巖頂板厚0～4.07m，平均1.52m，缺失石灰?guī)r。底板為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖或粉砂巖，再下為石灰?guī)r，底板較穩(wěn)定。9號煤層平均抗壓強度10 MPa；頂板砂巖和石灰?guī)r的飽和抗壓強度30.04～45.50 MPa，屬堅硬巖石；底板砂質(zhì)泥巖飽和抗壓強度為9.36～25.00MPa。

4）工程概況。相近煤礦對9號煤層巷道一直采用棚式支架、砌喧或者聯(lián)合支護，存在成本高、效率低、勞動強度大、事故率高等嚴(yán)重問題，先進的錨網(wǎng)支護技術(shù)成為必然的選擇。9號煤回風(fēng)大巷要求凈斷面寬×高=4500mm×3450mm；為保巷道安全，確定研究其特殊條件下的錨網(wǎng)支護技術(shù)。

2 錨固參數(shù)設(shè)計

1）根據(jù)巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案，如表1所示。當(dāng)采深為150 m以內(nèi)，9號煤層巷道煤柱20 m時，9號煤巷道為Ⅱ類穩(wěn)定圍巖。當(dāng)采深＞150m，9號煤層巷道煤柱20m時，9號煤巷道均為Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖。

表1 不同條件下巷道圍巖穩(wěn)定性分類結(jié)果

2）考慮井田內(nèi)地面為中低山區(qū)、溝谷山梁發(fā)育、相對高差283m，煤層埋深多變，支護設(shè)計時按Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖考慮。建議巷道錨桿支護的基本形式為：錨桿+W鋼帶+網(wǎng)，或增加錨索；桁架+網(wǎng)，或增加錨索。推薦的頂板支護主要參數(shù)為：全長錨固，桿體直徑16～22 mm，桿體長度 1.6～2.4m，間排距 0.6～1.0m。

3）根據(jù)云泉煤業(yè)巷道的地質(zhì)力學(xué)條件，采用太原理工大學(xué)采礦工藝研究所成果《煤巷錨桿支護設(shè)計專家系統(tǒng)》，對總回風(fēng)巷的錨固參數(shù)進行初始設(shè)計。頂錨桿用φ20 mm×2 200 mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距1 085 mm×1 200 mm。幫錨桿用φ20 mm×2 200 mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距960mm×1200mm。錨索用φ17.8 mm×7200mm的高彈性低松弛度鋼絞線，間排距2 170 mm×3600mm。

3 數(shù)值計算模型

1）煤巖層條件。根據(jù)井田鉆孔資料和煤巖特性測定結(jié)果，如表2所示，計算中對測定的煤和巖石的強度參數(shù)綜合考慮0.8的龜裂系數(shù)。

表2 煤巖層及其力學(xué)參數(shù)

2）地應(yīng)力條件?？紤]到井田內(nèi)出露的基巖有二疊系上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組，零星出露二疊系下統(tǒng)山西組及石炭系上統(tǒng)太原組，第四系黃土覆蓋在井田西部及東南部較平緩坡或溝谷中井田總體構(gòu)造形態(tài)為一褶曲構(gòu)造，井田構(gòu)造屬簡單類型。井田內(nèi)又未進行過地應(yīng)力測試，計算時取σh=1.1σv。

3）開采條件。取9號煤厚1.5 m，賦存穩(wěn)定，采用綜合機械化開采，工作面長度150m。

4）計算方法。采用美國大型巖土工程計算軟件FLAC3D，彈塑性材料模型。運用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞：

式中：σ1、σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；C為材料的粘結(jié)力、φ為材料的內(nèi)摩擦角；σt為抗拉強度；Nφ=（1+sinφ）/（1-sinφ）。當(dāng)fs=0時，材料將發(fā)生剪切破壞；當(dāng)ft=0時，材料將產(chǎn)生拉伸破壞。

5）計算模型。9號煤回風(fēng)大巷的計算模型見圖1。回風(fēng)大巷、膠帶大巷、軌道大巷均沿9號煤層頂板掘進，寬度均為4.74m，三條大巷中對中距離均為30m?；仫L(fēng)大巷中心線距工作面停采線距離為30 m，模擬工作面推進100 m，軌道大巷中心線外側(cè)留30 m煤柱，模型沿工作面推進方向的長度220m。模擬9號煤厚1.5 m，頂板30m，底板19.5m，模型高度51m。模型沿大巷軸向取20 m，模型的長×寬×高＝220m×20m×51m。模型的四個側(cè)面為位移邊界，約束水平位移，底部為固定邊界，約束水平位移和垂直位移。模型劃分12 090個單元，18720個節(jié)點，網(wǎng)格大小發(fā)生變化時使用Attach語句聯(lián)接。考慮煤層埋深100m、150m、200m、250m四種情況的圍巖穩(wěn)定性。上覆巖層重力按均布荷載施加在模型的上部邊界。模擬時，在巷道頂?shù)装逯悬c、兩幫腰線處、錨桿錨索錨固高度位置布置，應(yīng)力和位移測點。

圖1 總回風(fēng)大巷計算模型

6）模擬過程。模型建好后，計算初始應(yīng)力場至平衡，逐一開挖各條巷道；開挖后立即采用相應(yīng)支護方式進行支護，計算至平衡后，讀取相應(yīng)圍巖變形量作為初始值。整個模擬過程中，始終監(jiān)測圍巖的應(yīng)力和位移情況，記錄并存儲每步運算結(jié)果。然后模擬工作面的推進，以記錄工作面推進距離對回風(fēng)大巷穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

4 試驗結(jié)果分析

1）圍巖屈服破壞特征。圖2示出埋深為不同的回風(fēng)大巷圍巖屈服破壞特征。埋深100 m時，頂板沒有破壞，兩幫靠近兩底角位置沒有破壞、其余位置破壞深度0.5 m，底板沒有破壞，錨索最大軸力137.8 kN，破壞呈對稱分布。埋深150 m時，頂板沒有破壞，兩幫靠近兩底角位置破壞深度1 m、其余位置壞深度0.5 m，底板破壞靠近兩角位置破壞深0.5 m、其余位置沒有破壞，錨索最大軸力158 kN，破壞呈對稱分布。埋深200 m時，頂板沒有破壞，兩幫靠近兩角位置破壞深度1.0 m、其余位置破壞深度0.5 m，底板靠近兩角位置破壞深度0.5 m，其余位置沒有破壞，錨索最大軸力178.3 kN。埋深250 m時，頂板靠近兩角位置沒有破壞、其余部分破壞深度0.5 m，兩幫靠近底角位置破壞深度0.5 m、其余位置破壞1 m，底板靠近兩角位置破壞深度0.5 m、其余位置沒有破壞，錨索最大軸力199.1 kN。從圖4看，巷道圍巖是穩(wěn)定的。

圖2 回風(fēng)大巷圍巖屈服破壞單元分布圖

2）圍巖應(yīng)力分布特征。a.圖3和圖4示出埋深為不同的回風(fēng)大巷圍巖垂直應(yīng)力分布云圖和分布曲線。由于巷道開挖，頂?shù)装逯胁啃纬蓱?yīng)力降低拱區(qū)，兩幫形成垂直應(yīng)力升高區(qū)，頂板錨桿錨固范圍內(nèi)垂直應(yīng)力較小，其值是原巖應(yīng)力的25～50%，為應(yīng)力降低區(qū)。兩幫垂直應(yīng)力基本呈耳狀對稱分布，應(yīng)力升高區(qū)峰值點先出現(xiàn)于兩幫頂角，逐漸轉(zhuǎn)移至兩幫中部，且隨著埋深的增加，應(yīng)力升高區(qū)范圍向兩幫深度延伸，垂直應(yīng)力峰值增加。埋深100 m，垂直應(yīng)力峰值3.62 MPa，為原巖應(yīng)力2.50 MPa的1.448倍。埋深150 m，垂直應(yīng)力峰值5.42 MPa，為原巖應(yīng)力3.75 MPa的1.445倍。埋深200m，垂直應(yīng)力峰值7.28 MPa，為原巖應(yīng)力5.00 MPa的1.456倍。埋深250m，垂直應(yīng)力峰值9.10MPa，為原巖應(yīng)力6.25 MPa的1.456倍。錨固區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)增大，兩幫頂?shù)捉翘幒椭胁康拇怪睉?yīng)力核逐漸連成一片，并向兩幫深部轉(zhuǎn)移；峰值點出現(xiàn)于距巷道中心線2.87 m左右。從垂直應(yīng)力的分布看，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。b.圖5示出在埋深為不同的回風(fēng)大巷圍巖水平應(yīng)力分布云圖。巷道兩幫附近出現(xiàn)的水平應(yīng)力降低區(qū)呈蝶狀對稱分布，范圍大致處于錨桿錨固范圍之內(nèi)。頂?shù)装鍨樗綉?yīng)力升高區(qū)，頂板應(yīng)力呈拱形分布，高應(yīng)力核首先出現(xiàn)于頂板兩角處，隨埋深增大，應(yīng)力核范圍擴大、逐漸連通呈拱形上移，基本處于錨桿錨固范圍內(nèi)。而底板的應(yīng)力集中區(qū)則以反拱狀出現(xiàn)于底板中部，隨著埋深增大，范圍逐漸加大、并逐漸向巷道底板深處轉(zhuǎn)移。因此應(yīng)在設(shè)計中強化兩幫的錨桿強度和長度，以減小巷道底鼓，防止兩幫向內(nèi)滑移，減小圍巖的大變形。

圖3 回風(fēng)大巷圍巖垂直應(yīng)力分布云

圖4 回風(fēng)大巷兩幫垂直應(yīng)力分布曲線

3）圍巖位移分布特征。表3示出頂?shù)装搴蛢蓭鸵平俊㈠^固高度頂板下沉量、錨固范圍頂板離層量等，隨巷道埋深變化的計算結(jié)果。圖6示出埋深不同的回風(fēng)大巷圍巖水平位移分布云圖，表明巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)?；夭晒ぷ髅娴拈_采，使回風(fēng)大巷的圍巖移近和頂板離層量的增加值均在9 mm以內(nèi)，表明工作面回采對回風(fēng)大巷的穩(wěn)定性無明顯影響。

圖5 回風(fēng)大巷圍巖水平應(yīng)力分布云圖

表3 不同埋深時回風(fēng)大巷圍巖變形量的計算結(jié)果

圖6 回風(fēng)大巷圍巖水平位移分布云圖

5 錨噴支護設(shè)計

9號煤層巷道支護設(shè)計時應(yīng)區(qū)分9號煤之上有較穩(wěn)定的石灰?guī)r層（厚度≥1m）、無較穩(wěn)定的石灰?guī)r層（厚度＜1m）、破碎圍巖的三種情況。

5.1 較穩(wěn)定的石灰?guī)r頂板

回風(fēng)大巷沿9號煤層頂板掘進，矩形斷面，毛斷面寬×高=4800 mm×3 450 mm，錨噴支護設(shè)計見圖7。采用錨桿+鋼筋焊接網(wǎng)+錨桿梁的基本支護，快速承載預(yù)應(yīng)力小直徑錨索加強支護，表面噴射厚度150 mm混凝土封閉圍巖。

圖7 較穩(wěn)定的石灰?guī)r頂板條件下回風(fēng)大巷錨噴支護設(shè)計

1）頂錨桿：用φ20 mm×2 200 mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距1100mm×1200mm，邊錨桿距巷幫200 mm，要求向巷幫側(cè)傾斜20°，每排布置5根，每孔使用S2360型和Z2360型樹脂錨固劑各1卷。采用125 mm×125 mm×10 mm鋼板壓制穹形托板，用φ4～6.5 mm的鋼筋焊接成網(wǎng)孔尺寸100 mm×100 mm，網(wǎng)片長×寬=2 500 mm×1 300 mm，每排2片，網(wǎng)片搭接100 mm，每隔200mm聯(lián)網(wǎng)2道。用φ14mm鋼筋焊接成錨桿梯子梁，在布設(shè)錨桿處焊接錨桿卡欄。

2）錨索：用φ17.8 mm×7 200 mm的高彈性低松弛度鋼絞線，間排距2 170 mm×3 600 mm，距巷幫1285 mm。每孔使用S2360型樹脂錨固劑1卷，Z2360型樹脂錨固劑2卷。長×寬×厚=250×250×16mm的穹形多功能鋼板托板。

3）幫錨桿：用φ20mm×2 200 mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 200 mm，上部錨桿距頂板300 mm，向上傾斜20°，下部錨桿距底板300mm，每孔使用S2360型和Z2360型樹脂錨固劑各1卷。用125 mm×125 mm×10 mm鋼板壓制穹形托板，用φ4～6.5 mm的鋼筋焊接成網(wǎng)孔尺寸100mm×100mm，網(wǎng)片長×寬=3550mm×1300mm，每排每側(cè)1片，網(wǎng)片搭接100 mm，每隔200mm聯(lián)網(wǎng)2道。采用φ14mm鋼筋焊接成錨桿梯子梁，在布設(shè)錨桿處焊接錨桿卡欄。

5.2 無較穩(wěn)定的石灰?guī)r層頂板

9號煤回風(fēng)大巷的錨噴支護設(shè)計以圖7為基礎(chǔ)，但將錨桿排距調(diào)整為1 000 mm，錨索排距調(diào)整為3 000 mm，網(wǎng)片寬度調(diào)整為1100mm。

5.3 破碎圍巖

當(dāng)遇斷層、陷落柱、地質(zhì)構(gòu)造影響帶，或圍巖較破碎、受頂板水嚴(yán)重影響的地段，要增加錨桿密度與錨索密度和長度。將錨桿排距變?yōu)?00 mm，頂板每排6根，間距880 mm，頂板邊錨桿距巷幫200 mm，并向巷幫側(cè)傾斜20°；將錨索排距變?yōu)? 600 mm，每排2根，長度變?yōu)?200mm。要加強圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測，必要時增加棚式支護，或采取注漿加固圍巖。

再者，基于上述研究，結(jié)合現(xiàn)有研究成果[1,3]，盡可能地增加安裝錨桿時的預(yù)緊扭矩，并盡量減小錨桿螺母與托盤或球墊之間的摩擦力。根據(jù)云泉煤業(yè)現(xiàn)狀，施工要求：兩幫采用可回收錨桿或玻璃鋼錨桿的預(yù)緊扭矩不低于70Nm，預(yù)緊力約10 kN；其余巷道的頂板和兩幫錨桿的預(yù)緊扭矩不低于100 Nm，預(yù)緊力約14 kN。錨索的張拉力不低于100kN?，F(xiàn)場工業(yè)性試驗表明，所選錨網(wǎng)支護參數(shù)安全可靠，可以滿足工況需要。

6 結(jié)論

1）研究了9號煤賦存的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件，制訂了研究與支護設(shè)計方案。2）根據(jù)9號煤層的地質(zhì)力學(xué)條件，運用煤巷錨桿支護設(shè)計專家系統(tǒng)對本次設(shè)計的巷道進行了錨桿支護參數(shù)的初始設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，運用FLAC3D對設(shè)計巷道的圍巖穩(wěn)定性進行支護效果研究，并結(jié)合現(xiàn)場實際將9號煤層頂板分為有較穩(wěn)定的石灰?guī)r層（厚度≥1 m）、無較穩(wěn)定的石灰?guī)r層（厚度＜1 m）和破碎圍巖三種情況，并給出了相應(yīng)的支護方案。3）巷道圍巖的破壞均以剪切破壞為主，施工中要特別強調(diào)頂板兩側(cè)錨桿向外傾斜20°，確保預(yù)緊力達到設(shè)計要求，并盡量提高預(yù)緊力。4）現(xiàn)場必須重視施工錨桿、錨索預(yù)緊力達到設(shè)計要求；必須重視聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量與噴射混凝土對頂板的封閉質(zhì)量；必須重視安裝錨桿時對錨桿鉆機高速旋轉(zhuǎn)的時間要求；必須重視定期對樹脂錨固劑及其他錨固構(gòu)件性能參數(shù)的檢查與測定。

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