煤礦軟巖巷道錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計研究

張 晶，李金龍

(同煤集團(tuán)同家梁礦業(yè)公司，山西 大同 037003)

0 引言

關(guān)于錨桿的支護(hù)機(jī)理，主要有4種觀點：第一，懸吊作用；第二，組合梁作用；第三，三鉸拱機(jī)制；第四，經(jīng)驗公式。這些理論各有特點，得出的支護(hù)參數(shù)也各不相同，同時也各有其適用條件，主要取決于地質(zhì)條件和巷道圍巖特點。文中以某煤礦為背景，通過不同的錨桿支護(hù)理論得出相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，并采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行對比分析，從而確定最佳的錨桿支護(hù)參數(shù)。

1 概況

1.1 礦井概況

某煤礦主要開采3#煤層，煤層平均厚度2.5 m，煤層賦存穩(wěn)定，平均傾角9°?，F(xiàn)開采水平為-600 m水平，在東西方向上布置了2條軌道大巷和皮帶巷，同時布置幾組下山。下山巷道的巖層主要有灰色頁巖、暗灰色粉砂巖和暗灰色細(xì)砂巖。巷道埋藏較深，巷道圍巖中存在較大的應(yīng)力。礦井地質(zhì)構(gòu)造簡單，采區(qū)內(nèi)沒有斷層，巖石普氏系數(shù)較低，也表現(xiàn)出較低的強(qiáng)度，屬于軟巖范疇?？偦仫L(fēng)巷道采用錨桿支護(hù)，采用的錨桿為鋼筋樹脂錨桿，其規(guī)格為φ18 mm×1 800 mm，支護(hù)密度為700 mm×700 mm。

1.2 錨桿參數(shù)

目前主要使用2種規(guī)格的錨桿來實現(xiàn)對巷道的支護(hù)，錨桿的間排距確定為700 mm，通過十字測量法發(fā)現(xiàn)巷道存在較嚴(yán)重變形，對礦井正常生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的影響。所用錨桿有φ18 mm×1 800 mm和φ20 mm×2 000 mm 2種規(guī)格。

2 錨桿支護(hù)理論和支護(hù)參數(shù)計算方法

2.1 懸吊機(jī)制

所謂懸吊理論指的是，通過錨桿的錨固作用，將煤巖層頂板下部的強(qiáng)度較低的部分吊在其上部強(qiáng)度比較大的煤巖層中，這種情況下，錨桿所承受的重量可認(rèn)為是煤巖層下部強(qiáng)度較小部分的重量。此時，錨桿的主要作用是減少煤巖層下部的下沉量和控制煤巖層下部與上部的離層。在錨桿的錨固作用下實現(xiàn)頂板的穩(wěn)定。

支護(hù)參數(shù)的確定：

l=l1+l2+l3

(1)

l2=RP-h

(2)

(3)

式中：l—錨桿的總長度，m；l1—錨桿的暴露長度，m；l2—錨桿的被錨固長度，m；l3—為錨桿伸入老頂?shù)拈L度，m；R0—等效圓掘進(jìn)半徑，m；RP—破碎帶高度，m；K—應(yīng)力集中系數(shù)；γ—巖石容重，kN/m3；H—巷道的埋藏深度，m；φ、C—巖體的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)強(qiáng)度，MPa。

(4)

式中：d—錨桿的直徑，m；Q—錨桿的錨固力，kN；σt—錨桿的桿體抗拉強(qiáng)度，MPa，一般通過數(shù)據(jù)表獲得。

(5)

式中：a—錨桿的間排距，m。

2.2 組合梁機(jī)制

當(dāng)沒有堅硬而厚煤巖層頂板且存在多層薄煤巖層時，通過組合梁機(jī)制，即錨桿的預(yù)拉應(yīng)力作用，來實現(xiàn)對各煤巖層進(jìn)行的一種擠緊作用，從而從根本上提高了煤巖層的自身強(qiáng)度，提高煤巖層的自承能力。

支護(hù)參數(shù)的確定：

(6)

式中：t—組合拱厚度，m；a—錨桿控制角，通常取為45°。

2.3 三鉸拱機(jī)制

若圍巖在礦山壓力的作用下出現(xiàn)了裂隙，形成了塊狀圍巖，則適合應(yīng)用三鉸拱機(jī)制，該機(jī)制通過錨桿的懸吊作用，將塊狀圍巖懸吊起來，使其彼此擠壓，從而形成了一種特殊的結(jié)構(gòu)，即二鉸拱結(jié)構(gòu)。與之前相比，這種結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，既能將巖塊固定在一塊，又能強(qiáng)化巖塊的整體性，從而提高了圍巖的自承能力。

支護(hù)參數(shù)確定：

l=l1+l2+0.5a+l

(7)

(8)

式中：B—巷道寬度，m；f0可取0。

2.4 經(jīng)驗公式

經(jīng)驗公式是在一些煤礦應(yīng)用錨桿支護(hù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出的一些確定支護(hù)參數(shù)的公式。

支護(hù)參數(shù)的確定：

l=N(1.1+B/10)

(9)

q=Mγl/Q

(10)

式中：N—與穩(wěn)定性有關(guān)的系數(shù)；q—錨桿密度，根/m2；M—與圍巖穩(wěn)定性有關(guān)的系數(shù)。

3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計計算與分析

3.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計

以總回風(fēng)巷道為背景，巷道相關(guān)參數(shù)如圖1所示。錨桿材料的確定則以該礦實際應(yīng)用的錨桿為準(zhǔn)，即為鋼筋樹脂錨桿，規(guī)格為φ18 mm×1 800 mm，支護(hù)密度為700 mm×700 mm。在已知地質(zhì)條件下，根據(jù)上述不同的錨桿支護(hù)機(jī)制，確定相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，見表1。

圖1 總回風(fēng)巷道斷面示意圖

方法12345計算依據(jù)現(xiàn)用參數(shù)懸吊理論組合梁理論三鉸拱理論經(jīng)驗公式錨桿參數(shù)/mm?18×1 800?20×2 000?20×1 600?20×2 200?20×1 800錨桿密度/mm700×700800×800700×700800×800450×450

3.2 模擬研究

根據(jù)已知的礦井條件以及相關(guān)支護(hù)參數(shù)，建立回風(fēng)巷道斷面模型，針對4種理論機(jī)制下計算出的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬分析，可以得到不同支護(hù)參數(shù)下的巷道變形情況，確定巷道最佳的支護(hù)參數(shù)。

對5種錨桿支護(hù)參數(shù)下巷道幫部變形情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同支護(hù)參數(shù)下的幫部變形量

第2種和第4種錨桿支護(hù)理論機(jī)制確定的支護(hù)參數(shù)，幫部變形量較小。因此，從巷道幫部變形量角度講，采用第2種和第4種錨桿支護(hù)理論比較合理，即通過懸吊機(jī)制和三鉸拱機(jī)制得出的錨桿支護(hù)參數(shù)能夠較好地滿足巷道支護(hù)要求。

對5種錨桿支護(hù)參數(shù)下巷道頂板變形情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同支護(hù)參數(shù)下的頂板變形量

由圖3可知，第4種和第5種錨桿支護(hù)理論機(jī)制確定的支護(hù)參數(shù)，頂板變形量較小。因此，從巷道頂板變形量角度講，采用第4種和第5種錨桿支護(hù)理論比較合理，即通過三鉸拱機(jī)制或經(jīng)驗公式得出的錨桿支護(hù)參數(shù)能夠較好滿足巷道的支護(hù)要求。

通過上述分析，可知選擇第4種錨桿支護(hù)理論機(jī)制，即三鉸拱理論機(jī)制比較合理。通過三鉸拱理論機(jī)制確定的錨桿支護(hù)參數(shù)，可使得回風(fēng)巷道的幫部和頂板變形量處于最小的情況。因此，確定回風(fēng)巷道的錨桿支護(hù)參數(shù)：規(guī)格φ20 mm×2 200 mm，間排距800 mm×800 mm。

3.3 應(yīng)用效果

根據(jù)確定的回風(fēng)巷道錨桿支護(hù)參數(shù)：規(guī)格φ20 mm×2 200 mm，間排距800 mm×800 mm，對回風(fēng)巷道進(jìn)行施工，一個月后，通過十字測量法測得巷道幫部變形量為23 mm，頂板變形量為16 mm，完全滿足巷道支護(hù)要求。

4 結(jié)語

通過對不同錨桿支護(hù)理論機(jī)制分析以及對支護(hù)參數(shù)的數(shù)值模擬研究可知，采用三鉸拱理論機(jī)制確定的錨桿支護(hù)參數(shù)，可使得巷道幫部和頂板變形量較小，因而三鉸拱理論機(jī)制比較適合該礦錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計研究。因此，在礦井支護(hù)參數(shù)設(shè)計時，各煤礦應(yīng)根據(jù)其支護(hù)巷道特點，對各種支護(hù)機(jī)理進(jìn)行分析，選擇合理的支護(hù)理論。