雙馬煤礦大斷面切眼巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)研究

張 剛

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)雙馬煤礦，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750001)

巷道圍巖的穩(wěn)定性不僅關(guān)系到煤礦的開采和安全，而且還與巷道的維修量、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度以及煤礦的生產(chǎn)效率息息相關(guān)。因此，加強(qiáng)對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)的支護(hù)措施研究，不但可以保障煤礦的安全生產(chǎn)，還可以顯著提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。

錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)的煤礦巷道支護(hù)至今已有60多年的歷史，發(fā)展歷程從早期的低強(qiáng)度、被動(dòng)支護(hù)錨桿技術(shù)到從澳大利亞引進(jìn)的高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)再到最新研發(fā)出的高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)。隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)煤礦的開采深度、地質(zhì)條件的復(fù)雜程度也在不斷增加。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巷道支護(hù)技術(shù)方面的研究取得較多有益的成果。劉輝等研究人員針對(duì)巷道的變形問題，研究了錨桿預(yù)緊力的作用機(jī)理；陳勇等研究人員分析了錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)與巷道圍巖變形和應(yīng)力分布的關(guān)系，揭示了巷內(nèi)錨桿支護(hù)機(jī)制；曹懷建等研究人員研究了不同錨桿長(zhǎng)度和不同錨桿間距對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分布的影響；康紅普等研究人員揭示錨桿支護(hù)對(duì)沖擊地壓巷道變形的本質(zhì)作用，提出高沖擊韌性錨桿支護(hù)原則；何滿潮等研究人員針對(duì)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和方法的不確定性，研究了錨桿支護(hù)圍巖穩(wěn)定可靠度分析中抗力和荷載的計(jì)算方法，分析了錨桿支護(hù)煤巷的穩(wěn)定可靠度；戴俊等研究人員研究了圍巖與錨桿共同作用原理，提出了錨桿支護(hù)的優(yōu)化方法；康紅普、林健和李建波等研究人員詳細(xì)研究了錨桿與圍巖的作用機(jī)理，并將錨桿支護(hù)成功應(yīng)用到工程實(shí)際中，取得了較好的應(yīng)用效果。

本文針對(duì)雙馬煤礦大斷面巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，在創(chuàng)新性的支護(hù)原理和設(shè)計(jì)理念上，采用新的支護(hù)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)，最終確定煤巷錨桿支護(hù)的參數(shù)和方法。

1 圍巖力學(xué)指標(biāo)測(cè)試

雙馬煤礦4-2煤層賦存結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層位穩(wěn)定，不含夾矸且煤類單一，該煤層分布為穩(wěn)定可采煤層。煤層平均傾角為11°，最大厚度為2.8 m，最小厚度為1.35 m，平均厚度為1.67 m，屬中厚煤層。

1.1 頂?shù)装鍡l件

匯總相關(guān)地質(zhì)資料可知，4-2煤層直接頂為深灰色泥巖，厚度為5.14～6.27 m，平均厚度為5.81 m，頂板裂隙不甚發(fā)育。老頂為灰、灰白色中厚層之中粒砂巖和細(xì)粒砂巖，鈣硅質(zhì)膠結(jié)，分選良好，含有泥巖包裹體；斜層理明顯，裂隙發(fā)育不明顯；個(gè)別地段的老頂為細(xì)粒砂巖及粉砂巖。直接底為深灰色、黑色泥巖，含有植物根、莖化石及炭質(zhì)碎屑，平均厚度為3.86 m；水平層理發(fā)育，強(qiáng)度較低，無底鼓現(xiàn)象。老底為灰、灰白色中厚層之中粒砂巖和細(xì)粒砂巖。

1.2 圍巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

1.2.1 試樣采集與制作

(1)試樣采集。本試驗(yàn)所用試樣取自4-2煤層切眼巷道處。試樣采集按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法第一部分：采樣基本規(guī)定》(GB/T 23561.1-2009)規(guī)定執(zhí)行?，F(xiàn)場(chǎng)試樣用內(nèi)徑為85 mm取芯鉆直接鉆取。在頂板中部合適位置向上取>15 m的巖芯。在底板中部合適位置向上取>10 m的巖芯。在迎頭4-2煤層水平取>5 m的巖芯。取樣數(shù)量為：直接頂(泥巖)中長(zhǎng)度大于10 cm的所有巖芯；老頂(砂巖)中長(zhǎng)度大于10 cm的巖芯8塊；直接底(泥巖)中長(zhǎng)度大于10 cm的巖芯8塊；老底(砂巖)中長(zhǎng)度大于10 cm的巖芯8塊；由于迎頭4-2煤層中長(zhǎng)度大于10 cm的巖芯無法取得，故取長(zhǎng)度為50 cm、寬度為50 cm、厚度為15 cm左右的煤塊。

(2)試樣制作。試驗(yàn)共累計(jì)加工?50 mm×100 mm巖樣試件16塊、?50×100 mm煤樣試件5塊、?50×40 mm巖樣試件7塊。其中，劈裂試驗(yàn)為頂板3個(gè)、底板4個(gè)；單軸試驗(yàn)為頂板3個(gè)、煤2個(gè)、底板4個(gè)；三軸試驗(yàn)為頂板3個(gè)、煤4個(gè)、底板4個(gè)。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用TAW-2000煤巖三軸伺服試驗(yàn)機(jī)(包括采集速度為0.1 ms的高速計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、引伸計(jì)及配套的載荷和位移傳感器、劈裂夾具)。

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)獲得的巖石基本力學(xué)參數(shù)包括：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度Rc、單軸抗拉強(qiáng)度Rt、彈性模量Et、粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，具體如下：

(1)頂板：Rc=55.15 MPa，Et=17.2 GPa，ν=0.21，Rt=5.96 MPa，c=18.15 MPa，φ=28.94°；

(2)煤體：Rc=8.77 MPa，Et=2.97 GPa，ν=0.28，c=2.31 MPa，φ=21.55°；

(3)底板：Rc=82.43 MPa，Et=19.05 GPa，ν=0.37，Rt=8.06 MPa，c=19.23 MPa，φ=38.37°。

根據(jù)巖芯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以進(jìn)一步地進(jìn)行4-2煤層切眼巷道的圍巖分類。

2 圍巖分類

選取圍巖節(jié)理發(fā)育程度(J)、松動(dòng)圈(D)、地壓系數(shù)(P) 作為綜合分類指標(biāo)。D、P為巷道埋深(H)、跨度(B)、直接頂與煤層厚度的比值(N) 以及圍巖強(qiáng)度(Rc) 等指標(biāo)的綜合，具體計(jì)算如下。

2.1 圍巖強(qiáng)度(Rc)

圍巖強(qiáng)度計(jì)算見式(1)：

(1)

式中：σ、σ1、σ2——分別為兩幫、直接頂(或煤層)及底板抗壓強(qiáng)度，MPa；

h、h1、h2——分別為巷道高度、直接頂、直接底巖層厚度，m。

將巖芯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶入式(1)可得Rc=7.6 MPa。

2.2 松動(dòng)圈(D)

松動(dòng)圈計(jì)算見式(2)：

(2)

式中：k′——節(jié)理影響系數(shù)(k′=0.8，節(jié)理不發(fā)育；k′=0.9～1.0，節(jié)理中等發(fā)育；k′=1.0～1.1，節(jié)理較發(fā)育；k′=1.1～1.2，節(jié)理發(fā)育)；

B——巷道寬度，m；

f——圍巖普氏系數(shù)；

H——巷道高度，m。

依式(2)可得D=1.0 m(取k′=1.0)。

2.3 地壓系數(shù)(P)

地壓系數(shù)計(jì)算見式(3)：

(3)

式中：N——直接頂(或頂煤)厚度，m。

依式(3)可得P=1.22。

2.4 綜合評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的統(tǒng)計(jì)判據(jù)(L)

綜合評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的統(tǒng)計(jì)判據(jù)計(jì)算見式(4)：

L=0.5D+0.866P

(4)

式(4)中，L越大，則巷道支護(hù)就越困難。綜合評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的統(tǒng)計(jì)判據(jù)(L)見表1。

表1 綜合評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的統(tǒng)計(jì)判據(jù)(L)

依式(4)可得L=1.54。由計(jì)算得到的D、P、L值，并結(jié)合已知節(jié)理中等發(fā)育這4個(gè)指標(biāo)，依據(jù)綜合指標(biāo)分類法可得4-2煤層切眼巷道圍巖為II～I(xiàn)V類圍巖。

3 支護(hù)機(jī)理選擇

3.1 錨桿支護(hù)機(jī)理的甄別

3.1.1 錨桿支護(hù)理論

錨桿的支護(hù)理論較多，比較經(jīng)典的理論有懸吊理論、組合梁理論、拱形壓縮帶理論、加固理論(增強(qiáng)理論)、中性點(diǎn)理論等，目前使用較多的如下。

(1)圍巖松動(dòng)圈巷道錨桿支護(hù)理論。圍巖松動(dòng)圈巷道錨桿支護(hù)理論認(rèn)為：錨桿支護(hù)的主要對(duì)象是松動(dòng)圈產(chǎn)生和發(fā)展過程中的碎脹變形力。對(duì)圍巖狀態(tài)研究發(fā)現(xiàn)，松動(dòng)圈的厚度值Lp是圍巖應(yīng)力P與圍巖強(qiáng)度R的復(fù)雜函數(shù)，即Lp=f(P，R)。Lp是一個(gè)綜合性指標(biāo)，它的大小反映了支護(hù)的難易程度，而且大量數(shù)據(jù)表明，松動(dòng)圈厚度與巷道跨度(一般3～5 m 范圍)及有無支護(hù)等關(guān)系不大。松動(dòng)圈厚度大小與錨桿受力及錨桿的作用機(jī)理有直接關(guān)系，松動(dòng)圈厚度值類別(小、中和大3類松動(dòng)圈)不同，錨桿支護(hù)作用機(jī)理也不同。

(2)頂板增強(qiáng)理論與幫、角增強(qiáng)理論。頂板增強(qiáng)理論認(rèn)為：頂板是支護(hù)的主要矛盾，應(yīng)采用強(qiáng)力支護(hù)措施保證頂板支護(hù)效果。提出支護(hù)系統(tǒng)初期應(yīng)具有較高的支護(hù)剛度與強(qiáng)度，能有效控制頂板的不連續(xù)變形，同時(shí)支護(hù)系統(tǒng)還應(yīng)具有足夠的延伸率，允許巷道圍巖有一定的變形量，使高應(yīng)力得以釋放。幫部增強(qiáng)理論認(rèn)為，幫部是支護(hù)的主要矛盾，認(rèn)為巷道的破壞源于幫部和角部的破壞。幫部一旦發(fā)生破壞，巷道跨度將進(jìn)一步增大，巷道支護(hù)難度將進(jìn)一步增加。強(qiáng)幫、強(qiáng)角理論與技術(shù)近幾年在西山礦區(qū)和汾西礦區(qū)得到了推廣應(yīng)用，基于強(qiáng)幫、強(qiáng)角支護(hù)的巷道在抵抗動(dòng)載方面也顯示出其優(yōu)越性。

3.1.2 錨桿支護(hù)理論的選取

針對(duì)頂、底板的物理、力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)和參數(shù)測(cè)試取值，經(jīng)過對(duì)比分析錨桿支護(hù)理論的作用機(jī)理、特點(diǎn)和適用性條件，錨桿支護(hù)選取的設(shè)計(jì)理論為：一是支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)采用錨桿的懸吊理論；二是支護(hù)理念采用強(qiáng)幫、強(qiáng)角理論；三是支護(hù)荷載采用松動(dòng)圈理論和普氏地壓理論來估算。

4 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)研究

4.1 錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1.1 錨桿長(zhǎng)度

錨桿長(zhǎng)度按照功能長(zhǎng)度計(jì)算見式(5)、式(6)和式(7)：

式中：L頂、L幫——分別為頂和幫的錨桿長(zhǎng)度，m；

l1——錨桿外露長(zhǎng)度，取0.1 m；

D——松動(dòng)圈厚度，m。

l2——頂錨桿伸入松動(dòng)圈外長(zhǎng)度，取0.25 m；

l3——頂錨桿錨固長(zhǎng)度，取0.3 m；

Z——幫錨桿伸出非有效承載區(qū)的最小錨固深度，取0.5 m；

l4——兩幫有效承載區(qū)深度，m；

f煤——煤層普氏系數(shù)。

依式(5)、式(6)和式(7)可得頂錨桿和幫錨桿長(zhǎng)度為別為1.63 m和1.95 m。

錨桿長(zhǎng)度按照半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算，頂板錨桿和幫錨桿計(jì)算見式(8)和式(9)：

式中：B——巷道寬度，m；

k——與圍巖性質(zhì)等有關(guān)的系數(shù)，一般取3～5；

H——巷道高度，m。

依式(8)和式(9)可得頂錨桿和幫錨桿長(zhǎng)度為2.15 m和2.13 m。

錨桿長(zhǎng)度計(jì)算見式(10)：

L=k(1.5+B/10)

(10)

式中：k—圍巖影響系數(shù)，一般取0.9～1.2，圍巖穩(wěn)定性差時(shí)取大值。

依式(10)可得，當(dāng)k取1.1時(shí)，錨桿長(zhǎng)度為1.95 m。

綜合考慮計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合雙馬煤礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，取頂錨桿和幫錨桿的長(zhǎng)度均為2.2 m。

4.1.2 錨桿直徑

頂和幫錨桿均選用礦用高強(qiáng)螺紋鋼，錨桿直徑設(shè)計(jì)依據(jù)式(11)計(jì)算：

(11)

式中：F——單根錨桿設(shè)計(jì)錨固力，頂錨桿和幫錨桿分別為70 kN(巖石)和50 kN(煤體)；

py——錨桿材料的屈服強(qiáng)度，MPa。

由式(11)可分別計(jì)算出頂錨桿和幫錨桿的直徑分別為0.016 m和0.0178 m，設(shè)計(jì)時(shí)取頂和幫錨桿直徑均為22 mm。

4.1.3 錨桿錨固長(zhǎng)度

錨桿錨固長(zhǎng)度計(jì)算見式(12)：

(12)

式中：l——錨桿錨固長(zhǎng)度，m；

d——鉆孔孔徑，mm；

p——樹脂藥卷與鉆孔壁之間的粘結(jié)強(qiáng)度，頂板為5 MPa(巖石)，兩幫為1 MPa(煤體)。

由式(12)可得頂錨桿(巖石)和幫錨桿(煤體)的計(jì)算錨固長(zhǎng)度分別為170 mm和590 mm。設(shè)計(jì)時(shí)，取頂錨桿和幫錨桿的設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度均為600 mm。

4.1.4 錨桿間排距

(1) 按照理論計(jì)算，錨桿支護(hù)密度計(jì)算見式(13)、式(14)、式(15)、式(16)和式(17)：

式中:Ps頂，Ps幫——分別為頂錨桿和幫錨桿支護(hù)密度，根/m2；

k——安全系數(shù)；

γ′、γ——分別為頂巖層容重和幫煤體的容重，kN/m3；

Q——考慮采動(dòng)影響的煤幫側(cè)壓，MPa；

kd——采動(dòng)影響系數(shù)；

b′——巷道一側(cè)松動(dòng)寬度，m；

h——煤層厚度；

ω，α——分別為兩幫煤體的似摩擦角和煤層傾角，ω=arctanfz；

b——潛在平衡拱高度，m；

a——巷道頂板有效跨度之半，m；

fz——直接頂綜合普氏系數(shù)；

ky——頂部煤巖類型系數(shù)，一般取0.4。

由式(13)、(14)可分別計(jì)算出頂錨桿和幫錨桿的支護(hù)密度為1.16根/m2、1.07根/m2，則1/Ps頂= 0.86 m2/根，1/Ps幫=1.03 m2/根。由此取頂錨桿的間排距為900 mm×900 mm。幫錨桿間距s計(jì)算見式(18)：

(18)

為了便于現(xiàn)場(chǎng)施工，取幫錨桿間排距與頂板一致，因此取幫錨桿間排距s為900 mm。

(2)按照半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式計(jì)算，幫錨桿間排距計(jì)算見式(19)和式(20)：

式中：s——幫錨桿間排距，mm；

σc——錨桿安設(shè)部位巖體/煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度，kN/m2；

γ——該部位巖體容重, kN/m3；

l——錨桿長(zhǎng)度，m；

k——節(jié)理影響系數(shù)(節(jié)理不發(fā)育k=0.8，中等發(fā)育k=0.9～1.0，較發(fā)育k=0.9 ～1.0，很發(fā)育k=1.1～1.2)。

由式(19)和式(20)可得幫錨桿間距為0.93 m，最后綜合考慮理論計(jì)算和半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合雙馬煤礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，取頂錨桿間排距和幫錨桿間排距均為900 mm×900 mm。

4.1.5 幫錨桿的長(zhǎng)度校核

一般來說，需要進(jìn)行幫部錨桿的長(zhǎng)度校核。但因巷道一側(cè)松動(dòng)寬度b′小于兩幫有效承載區(qū)深度l4，因此，幫錨桿的長(zhǎng)度無需進(jìn)行修正。

4.1.6 錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)的取值

錨桿參數(shù)計(jì)算值與設(shè)計(jì)值見表2。

表2 錨桿參數(shù)計(jì)算值與設(shè)計(jì)值

4.2 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案

通過設(shè)計(jì)得到4-2煤層切眼巷道錨桿支護(hù)參數(shù)為：頂板采用?22 mm×2000 mm的礦用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿并配金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距為900 mm×900 mm；兩幫采用?22 mm×2000 mm的礦用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿并配金屬網(wǎng)支護(hù)，錨桿間排距為900 mm×900 mm。由此做出的雙馬煤礦4-2煤層切眼大巷斷面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 雙馬煤礦4-2煤層切眼大巷斷面設(shè)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)雙馬煤礦4-2煤層切眼巷道圍巖的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：頂板為55.15 MPa，底板為55.81 MPa，煤層為8.77 MPa。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了雙馬煤礦4-2煤層切眼巷道圍巖穩(wěn)定性分類研究，依據(jù)綜合指標(biāo)分類法得出4-2煤層的切眼巷道屬于II～I(xiàn)V類圍巖。

(2)在對(duì)雙馬煤礦4-2煤層切眼巷道圍巖的地質(zhì)力學(xué)評(píng)估和圍巖分類的基礎(chǔ)上，通過理論計(jì)算與分析，提出了適用于雙馬煤礦4-2煤層切眼巷道的錨桿支護(hù)理論與技術(shù)：一是支護(hù)荷載的估算采用松動(dòng)圈理論和普氏地壓理論；二是支護(hù)理念采用強(qiáng)幫、強(qiáng)角理論；三是支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)采用錨桿的懸吊加固理論。

(3)基于動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的強(qiáng)幫、強(qiáng)角煤巷錨桿支護(hù)理論與技術(shù)，給出了雙馬煤礦4-2煤層切眼巷道的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程以及最終錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)方案。與原有支護(hù)設(shè)計(jì)相比，新的支護(hù)方案和設(shè)計(jì)參數(shù)在支護(hù)原理和設(shè)計(jì)理念上具有較大的創(chuàng)新性。