應(yīng)力復(fù)雜區(qū)巷道斷面折線形和曲線形實踐分析

摘 要：通過對城山煤礦西二3#回風(fēng)巷不同巷道斷面形狀的選擇及礦壓觀測，總結(jié)了應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域巷道的變形特點，并針對性地提出應(yīng)力分布及卸壓相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力；矩形；拱形；應(yīng)力分布；卸壓鉆；巷道觀測

一、概述

由城山煤礦掘進(jìn)二段609隊2015年10月施工的西二3#左二面回風(fēng)巷，巷道設(shè)計工程量255m，巷道方位N-353°，沿煤，施工方式：炮掘。地面標(biāo)高+180，拉門口標(biāo)高-650，該施工工作面西部為3B#層絞車道，南部3B#左一面下巷，東部為采空區(qū)，上部為大傾角皮帶道及24#、25#、36#、42#已開采煤層。拉門子施工時，頂板及兩幫支護(hù)良好，使用頂板離層儀觀測無明顯離層下沉，使用KBD5電磁輻射儀測量應(yīng)力在臨界值內(nèi)，當(dāng)施工至40米時，左幫內(nèi)移量增大，頂板狀況無明顯下沉，當(dāng)施工至70米時，左右?guī)碗y以維護(hù)，頂板下沉明顯，頂板離層儀觀測下沉量達(dá)400mm，此時使用KBD5電磁輻射儀測量應(yīng)力達(dá)22 mV，超過15 mV臨界值。從拉門口兩幫開始向工作面施工卸壓鉆，并補(bǔ)強(qiáng)幫頂支護(hù)，工作面前進(jìn)方向施工三個卸壓鉆，工作面斷面形狀改施工拱形。使用頂板離層儀及KBD5電磁輻射儀監(jiān)測，巷道頂板及兩幫得到了改善，應(yīng)力得到了較好的卸壓轉(zhuǎn)移。

1.局部工程平面圖

2.區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀：

該施工區(qū)域煤層走向近似東西走向，由北向南傾斜，該施工工程區(qū)域范圍地質(zhì)構(gòu)造清晰，無斷層及其它地質(zhì)構(gòu)造存在。

3.煤層頂?shù)装鍘r性：

該區(qū)3B#煤層冒落頂板為灰白色細(xì)砂巖及砂頁巖厚度4.0米左右，巖層堅固硬度 f=6.3底板為砂頁巖，厚度在3.5米左右，巖層堅固硬度 f=3.6 ，巖石抗壓強(qiáng)度小于30Mpa，巖石軟化系數(shù)小于0.6，節(jié)理裂隙不發(fā)育。

4.其他：

該巷道左右兩側(cè)均為采空區(qū)，與西側(cè)3#右一面采空區(qū)距離為150米，與東側(cè)3#左一面采空區(qū)距離為75米。巷道上方為西二3#大傾角皮帶道，法向距離15米，巷道布置于煤柱中。

二、原設(shè)計方案

原巷道斷面：3.4m寬x2.5m高（矩形）（如圖）

斷面圖（原斷面）

1、錨桿間排距的計算（煤礦作業(yè)規(guī)程技術(shù)手冊）

式中：

B—— ；

Q——錨桿錨固力，MN；（取220MN）

K——安全系數(shù)，一般取1.5-2；（取2）

H——錨桿有效長度，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度，m；（取24.5）

r——不穩(wěn)定巖層平均容重，MN/m3。（取24.5）

計算得：B=1.49m

2、錨索間排距的計算（煤礦作業(yè)規(guī)程技術(shù)手冊）

式中：

B——錨索間排距，m；

Z——錨索錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度。取0.91

a——巷道的半跨度，m；

b——頂板巖層的破壞深度，m。

計算得：B=2.8m

頂板支護(hù)參數(shù)：錨桿+W鋼帶+錨索聯(lián)合支護(hù)

螺紋鋼錨桿 φ20mm x 2000m

錨桿托盤 120mmx120mmx10mm

錨桿間排距 1000mm x 1000mm

錨索 φ17.8mmx5200mm

錨索間排距 1000mm x2000mm

鋼帶 4200mmx280mmx5mm（五眼眼距1000mm）

原設(shè)計現(xiàn)場情況：使用KPD5電磁輻射儀測量應(yīng)力為20-25mV（臨界值為15mV），頂板破碎變形，多數(shù)φ17.8mm錨索拉斷（破斷力值為353KN）。

三、新設(shè)計方案

新方案巷道斷面：3.6m寬x3.2m高（半圓拱形）（如圖）

斷面圖（現(xiàn)斷面）

1、錨桿間排距的計算 （煤礦作業(yè)規(guī)程技術(shù)手冊）

式中：

B—— ；

Q——錨桿錨固力，MN；（取220MN）

K——安全系數(shù)，一般取1.5-2；（取2）

H——錨桿有效長度，不小于不穩(wěn)定巖層的厚度，m；（取24.5）

r——不穩(wěn)定巖層平均容重，MN/m3。（取24.5）

計算得：B=1.49m

2、錨索間排距的計算

式中：

B——錨索間排距，m；

Z——錨索錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度。取0.91

a——巷道的半跨度，m；

b——頂板巖層的破壞深度，m。

計算得：B=2.6m

頂板支護(hù)參數(shù)：錨桿+W鋼帶+錨索聯(lián)合支護(hù)

螺紋鋼錨桿 φ20mm x 2000m

錨桿托盤 120mmx120mmx10mm

錨桿間排距 1000mm x 1000mm

錨索 φ17.8mmx5200mm

錨索間排距 1000mm x2000mm

鋼帶 4200mmx280mmx5mm

（五眼眼距1000mm）

應(yīng)力轉(zhuǎn)移解決方案：工作面前方施工3個卸壓孔，孔深50米，孔徑φ75mm；兩幫采用施工卸壓孔，每5米兩幫各施工一個10米長卸壓孔，孔徑φ75mm。

應(yīng)力轉(zhuǎn)移效果：使用KPD5電磁輻射儀測量應(yīng)力為7-11mV（臨界值為15mV），兩幫施工卸壓鉆，能較好的分散應(yīng)力集中區(qū)，聯(lián)合拱形斷面優(yōu)點，很好的維護(hù)住頂板，較好的減緩頂板下沉和兩幫內(nèi)移，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

四、總結(jié)：

1、將原矩形斷面改為拱形斷面，很好的形成組合拱，支承能力相應(yīng)增大，圍巖強(qiáng)度得到提高。

2、巷道開挖前，深部巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài)，具有較高的強(qiáng)度。但是在巷道開挖后，水平應(yīng)力解除后，巷道周圍圍巖徑向應(yīng)力變?yōu)榱?，變?yōu)槎驊?yīng)力，強(qiáng)度明顯下降。且由于開挖巷道，破壞了原有承載結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巷道圍邊圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，圍巖受力變形。當(dāng)集中應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時，巷道周邊圍巖遭到破壞，其承載力降低，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中程度隨之減弱，又由于破碎巖體的影響，所以深部圍巖的徑向應(yīng)力從開始處逐步增加，深部圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，巖石具有較高強(qiáng)度，抵御破壞強(qiáng)度增強(qiáng)。于是在高應(yīng)力區(qū)形成自承載結(jié)構(gòu)，承受掘巷引起的集中應(yīng)力。同時，在它的支撐和保護(hù)下，又使卸壓區(qū)內(nèi)的巖體得以保持穩(wěn)定。另一方面，結(jié)構(gòu)和完整性并未遭到完全破壞的卸壓區(qū)內(nèi)的圍巖，仍然存在一定的殘余強(qiáng)度，并向巖體自乘結(jié)構(gòu)提供側(cè)向約束力，增加巖體自乘結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，從而使圍巖的穩(wěn)定性得到顯著提高。工作面前進(jìn)方向和兩幫施工的卸壓孔，將高應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力轉(zhuǎn)移向深部，降低巷道周圍應(yīng)力，使拱形巷道斷面的支護(hù)效果發(fā)揮最大化。

作者簡介：

侯凱（1976—），男，黑龍江省人，高級工程師，現(xiàn)雞西礦業(yè)集團(tuán)公司城山煤礦從事生產(chǎn)技術(shù)管理工作。endprint