某礦盤區(qū)回風(fēng)大巷支護(hù)參數(shù)研究

王薈欽，馬金建，李 洋，高 輝

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.山東能源棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司七五生建煤礦，山東 濟(jì)寧 277606）

0 引言

目前煤礦巷道所采用的支護(hù)方式主要為錨桿支護(hù)，錨桿支護(hù)的大面積推廣應(yīng)用解決了大量巷道支護(hù)難題，提高了巷道支護(hù)效果，保證了安全生產(chǎn)。多年來(lái)在煤礦上的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，錨桿支護(hù)是煤巷經(jīng)濟(jì)有效的支護(hù)技術(shù)，已經(jīng)成為煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。深部巷道開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中，巷道支護(hù)的難度加大，支護(hù)參數(shù)選取的正確與否直接決定了巷道支護(hù)的最終效果。對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)的校核是十分必要的。邢彥文［2］通過(guò)對(duì)錨桿支護(hù)理論和圍巖松動(dòng)圈理論分析，結(jié)合錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)例闡述破碎特厚煤層巷道的支護(hù)技術(shù)，提出了軟巖巷道支護(hù)應(yīng)積極推廣使用錨桿支護(hù)技術(shù)的觀點(diǎn)。周浩亮、楊瑾娣［3］以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)影響巖巷支護(hù)選型多種因素的分析，建立了“巖巷支護(hù)選型的模糊綜合評(píng)判模型”，由此提出了一種較為新穎的巖巷支護(hù)選型方法。高倩［4］分析了童亭煤礦傳統(tǒng)巷道支護(hù)方式存在的問(wèn)題，介紹了推廣應(yīng)用新型錨桿支護(hù)技術(shù)采取的一系列措施方法及取得的成效，并提出了今后的努力方向。單智勇［5］針對(duì)我國(guó)錨桿支護(hù)現(xiàn)狀、發(fā)展技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展方向進(jìn)行全面的分析研究評(píng)價(jià)，以推動(dòng)該技術(shù)的全面發(fā)展。但是我國(guó)礦井的實(shí)際地質(zhì)條件差別很大，需要針對(duì)礦井具體條件進(jìn)行支護(hù)方案校核。某礦41盤區(qū)一號(hào)回風(fēng)大巷由于圍巖性質(zhì)較差、受掘進(jìn)擾動(dòng)影響大、后期施工標(biāo)準(zhǔn)較低等原因，巷道出現(xiàn)一定程度變形。為此，對(duì)41盤區(qū)一號(hào)回風(fēng)大巷的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，保證巷道圍巖的穩(wěn)定，確保安全服務(wù)于41盤區(qū)生產(chǎn)。

1 巷道概況

某礦埋深為547～730 m，屬于深埋礦井。41盤區(qū)一號(hào)回風(fēng)大巷臨近巷道有二號(hào)回風(fēng)巷、帶式輸送機(jī)巷、輔助運(yùn)輸巷。巷道長(zhǎng)度為593.30 m，巷道在煤層內(nèi)掘進(jìn)，整體多布置在遇水膨脹的泥巖和透水性較好的細(xì)粒砂巖中。煤層厚度3.76～4.32 m之間，平均厚度3.93 m；傾角2°～6°，平均為3°。礦井工作面絕對(duì)瓦斯涌出量59.89 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為7.12 m3/t，屬于高瓦斯礦井，煤塵有爆炸性危險(xiǎn)。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

2 巷道支護(hù)參數(shù)

41盤區(qū)一號(hào)回風(fēng)大巷為拱形斷面，掘進(jìn)尺寸為5 240 mm×4 220 mm，采用錨網(wǎng)噴+錨索+W鋼帶（頂部）+鋼筋梯（幫部）+槽鋼聯(lián)合支護(hù)形式。巷道支護(hù)采用φ22 mm×2 500 mm BHRB335高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每排16根，間排距為700 mm×700 mm；錨桿托盤采用150 mm×150 mm×8 mm碟形托盤；每根使用2根錨固劑（1根MSZ23/60型樹(shù)脂藥卷和1根MSK23/60型樹(shù)脂藥卷），預(yù)緊力矩不小于120 N·m，錨固力不小于100 kN；頂部最外側(cè)錨桿距幫不超過(guò)400 mm，幫部錨桿頂錨距頂部不超過(guò)300 mm；錨索采用1×19芯結(jié)構(gòu)、φ21.6 mm×8 800 mm鋼鉸線，每排5根，間排距1 200 mm×1 400 mm；錨索托盤采用300 mm×300 mm×20 mm碟形托盤；每根錨索使用4根錨固劑（3根MSZ23/60型樹(shù)脂藥卷和1根MSK23/60型樹(shù)脂藥卷），預(yù)緊力180 kN，錨固力不小于200 kN。支護(hù)斷面如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

圖1 41盤區(qū)一號(hào)回風(fēng)大巷支護(hù)斷面圖

3 基于極限平衡理論的支護(hù)參數(shù)核算

3.1 圍巖深度核算

極限平衡法設(shè)計(jì)煤巷錨桿支護(hù)參數(shù)依托于兩個(gè)基本理論：一是彈塑性理論；二是懸吊理論。為了克服彈塑性理論的局限性，采用煤巖體物理力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)和采動(dòng)影響系數(shù)加以修正［6-7］。下面采用極限平衡理論校驗(yàn)支護(hù)參數(shù)。

巷道周邊極限平衡區(qū)半徑為

式中：a—巷道理論半徑，為2.72 m；K1—采動(dòng)影響系數(shù)，取1.8；γ—上覆巖層體積力，取0.025 MN/m3；H—巷道埋深，取700 m；K2—煤巖體力學(xué)參數(shù)修正系數(shù)，取0.8；C—黏結(jié)力，根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)為5.68 MPa；φ—內(nèi)摩擦角，根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)為28.44°；Pi—支護(hù)阻力，取0.25 MPa。

由此確定極限平衡區(qū)深入巷道圍巖深度為：

3.2 錨桿參數(shù)核算

錨桿長(zhǎng)度：

式中：L1—錨桿錨固段長(zhǎng)度，0.61 m；Δ—極限平衡區(qū)深入圍巖的深度，1.7 m；L3—錨桿外露長(zhǎng)度，一般取0.15 m。根據(jù)上述結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)所用支護(hù)材料，取錨桿長(zhǎng)度2 500 mm滿足支護(hù)要求。

錨桿直徑：

式中：S—錨桿的維護(hù)面積，取0.81 m2；qd—需要支護(hù)加固的最大載荷密度，取0.12 MPa；［σ］—桿體材料的許用強(qiáng)度，取335 MPa。結(jié)合井下巷道的實(shí)際情況，此處錨桿直徑22 mm滿足要求。

錨桿間排距：

式中：Q—錨固力，設(shè)計(jì)為錨桿屈服載荷（127 kN）的80%，取100 kN；K—錨桿安全系數(shù)，取4；γ—巖石體積力，25 kN/m3；Δ—極限平衡區(qū)深入圍巖的深度，1.7 m?？紤]41盤區(qū)一號(hào)回風(fēng)大巷前期巷道圍巖變形較大，錨桿間排距取700 mm×700 mm合理可行。

錨桿預(yù)緊力矩設(shè)計(jì)：

錨桿預(yù)緊力與螺母預(yù)緊力矩存在如下關(guān)系

式中：P—錨桿預(yù)緊力，31.56～52.59 kN；M—錨桿預(yù)緊力矩，N·m。由式（7）可得到錨桿預(yù)緊力矩為189.36～368.13 N·m。根據(jù)煤層厚度和巷道高度，錨桿預(yù)緊力矩不小于240 N·m。

3.3 錨索參數(shù)核算

錨索長(zhǎng)度：

式中：X1—錨索外露長(zhǎng)度，取0.4 m；X2—錨索的有效錨固長(zhǎng)度，取5.1 m；X3—錨索的錨固長(zhǎng)度，取0.15 m。錨索長(zhǎng)度選取8 800 mm大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，符合安全規(guī)程要求。

錨索支護(hù)密度：

式中：K—安全系數(shù)，取2；γ—煤巖體積力，取25 kN/m3；B—巷道寬度，取5.24 m；H—巷道松動(dòng)破碎區(qū)高度，m，取3Δ；Q—錨索破斷載荷，取510 kN。

錨索排距：

式中：n—每排錨索確定的根數(shù)，取5；N—錨索支護(hù)密度，取2.62。錨索排距取1 400 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

錨索間距：

式中：B—巷道寬度，5.24 m。結(jié)合錨索排距選取數(shù)值，錨索間距取為1 200 mm，略大于計(jì)算結(jié)果，后期可根據(jù)支護(hù)狀態(tài)調(diào)整。

綜上，巷道支護(hù)參數(shù)中高強(qiáng)螺紋鋼錨桿取φ22 mm×2 500 mm，間排距700 mm×700 mm，預(yù)緊力矩240 N·m；錨索φ21.6 mm×8 800 mm鋼鉸線，間排距1 200 mm×1 400 mm符合計(jì)算設(shè)計(jì)要求。

4 數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

4.1 數(shù)值模擬分析

利用FLCD3D數(shù)值模擬軟件對(duì)支護(hù)巷道進(jìn)行位移及應(yīng)力分析研究［8-10］。根據(jù)巷道具體地質(zhì)條件進(jìn)行模型建立，上部施加均布載荷，其余各面施加位移約束，巷道支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬分析如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬位移和應(yīng)力云圖

由圖2分析可得，在采用的支護(hù)參數(shù)條件下，巷道水平位移即兩幫移近量最大為0.31 m，垂直位移即頂?shù)装逡平孔畲鬄?.91 m；巷道水平應(yīng)力最大為16.5 MPa，垂直應(yīng)力最大為1.71 MPa。位移與圍巖應(yīng)力均較小，符合支護(hù)要求，證明支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)需要。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

在巷道內(nèi)距離掘進(jìn)迎頭15 m處斷面布置表面位移測(cè)站，測(cè)量其中的A1B1、A2B2、A3B3、A4B4和CD這5組數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)分布圖如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)分布示意圖

測(cè)站布置后，前兩星期每天觀測(cè)1次，之后每星期測(cè)量3次，直至巷道基本穩(wěn)定。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，41盤區(qū)一號(hào)回風(fēng)大巷測(cè)站處頂?shù)装謇鄯e移近量為300 mm，兩幫累積移近量為215 mm，觀測(cè)15 d后巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定；頂?shù)装遄畲笠平俾蕿?7 mm/d，兩幫最大移近速率為32 mm/d，均出現(xiàn)在測(cè)站布設(shè)后第3 d，后期圍巖移近速率較小。巷道圍巖移近量整體不大，屬掘進(jìn)期內(nèi)圍巖應(yīng)力重新分布、變形正常釋放過(guò)程，說(shuō)明支護(hù)方案的參數(shù)合理有效。

5 結(jié)論

（1）采用極限平衡理論進(jìn)行了支護(hù)參數(shù)的校核，支護(hù)參數(shù)符合錨桿索參數(shù)計(jì)算結(jié)果，證明所采用支護(hù)參數(shù)滿足理論設(shè)計(jì)要求。

（2）巷道支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果表明：巷道位移及應(yīng)力均較小，支護(hù)方案參數(shù)能夠滿足生產(chǎn)安全的要求。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)表面收斂監(jiān)測(cè)評(píng)定的支護(hù)效果，頂?shù)装搴蛢蓭偷睦鄯e移近量分別為300 mm和215 mm，最大移近速率分別為47 mm/d和32 mm/d。兩幫及頂?shù)装迨諗康玫接行Э刂疲夷軌虮ＷC掘進(jìn)生產(chǎn)安全。

圖4 表面位移變化曲線

（4）研究結(jié)果表明所設(shè)計(jì)支護(hù)方案科學(xué)合理，能夠有效控制圍巖變形，保證了生產(chǎn)安全，為其他工作面支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。