容大煤業(yè)6 號(hào)煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

郝偉偉

（山西中陽桃園容大煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400）

引言

以圍巖穩(wěn)定性分級(jí)為基礎(chǔ)的工程類比法是目前國內(nèi)外隧洞與地下工程錨噴設(shè)計(jì)的主要方法。但在施工前的設(shè)計(jì)階段，對(duì)圍巖性態(tài)的認(rèn)識(shí)往往是不全面或不透徹的，很難對(duì)圍巖穩(wěn)定性級(jí)別作出準(zhǔn)確的判斷，只有在隧道開挖后圍巖特性被充分揭示，特別是在噴錨支護(hù)施工后，圍巖—噴錨支護(hù)相互作用、共同工作的性能被監(jiān)控量測(cè)的信息所揭露后，才能對(duì)錨噴支護(hù)的適應(yīng)性、安全性以及是否需要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整作出正確的判斷，因此隧洞與地下工程錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)必須采用工程類比與監(jiān)控量測(cè)相結(jié)合的方法。目前理論分析的方法取得了長足進(jìn)展，理論驗(yàn)算法已成為大型或復(fù)雜地下工程錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)的一種重要輔助方法[1]。

1 容大煤業(yè)井田概況

容大煤業(yè)井田位于呂梁市中陽縣北約21 km 處金羅鎮(zhèn)鄉(xiāng)前王家坡村、舍窠村一帶，行政區(qū)劃屬金羅鎮(zhèn)鄉(xiāng)管轄。井田地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°11′31″～111°13′28″、北緯37°25′37″～37°27′19″。開采深度為由1 210 m 至850 m 標(biāo)高。

井田南距中陽縣縣城約21 km，西北距離石區(qū)約27 km，西距209 國道及孝柳鐵路朱家店站約7 km，由簡易公路相連，沿209 國道向北可至呂梁市離石區(qū)，并與307 國道和青銀高速公路相連，經(jīng)太原可通往全國各地，沿孝柳鐵路向東南可與南同蒲鐵路相通，交通運(yùn)輸均較方便。

2 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法

受采動(dòng)影響的巷道是指地下礦山開采中受采礦工作面開采（采場(chǎng)爆破）、采空區(qū)及放頂?shù)扔绊懙南锏?。?duì)煤礦來說，包括采煤工作面回采巷道（順槽、開切眼、回撤通道及聯(lián)絡(luò)巷等），受采動(dòng)影響的采區(qū)上下山與集中巷，及受采動(dòng)影響的大巷與硐室等[2]。

受采動(dòng)影響巷道的支護(hù)形式與參數(shù)主要根據(jù)受采動(dòng)影響程度、圍巖地質(zhì)與生產(chǎn)條件確定。受采動(dòng)影響巷道承受不斷變化的采動(dòng)力作用，最大采動(dòng)應(yīng)力一般高出原始應(yīng)力數(shù)倍，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力集中嚴(yán)重，變形增大。因此，支護(hù)形式應(yīng)以預(yù)應(yīng)力錨桿為主，既能有效控制圍巖離層、結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)、裂隙張開等有害變形，又具有一定的延伸率，允許圍巖有一定的持續(xù)變形，使高應(yīng)力得以釋放[3]。

根據(jù)巷道條件，可選擇采用錨桿支護(hù)、錨桿金屬網(wǎng)支護(hù)、錨桿-鋼帶支護(hù)、錨桿-鋼帶（梁）-金屬網(wǎng)支護(hù)等支護(hù)形式。受采動(dòng)影響巷道的使用條件有很大區(qū)別。對(duì)于服務(wù)年限很短（2 年以內(nèi)），且圍巖受風(fēng)化影響小的回采巷道，一般只采用錨桿支護(hù)，無須噴射混凝土支護(hù)；對(duì)于圍巖受風(fēng)化影響嚴(yán)重的巷道，及服務(wù)時(shí)間長的采區(qū)上下山、集中巷，大巷與硐室等，應(yīng)采用錨噴支護(hù)；對(duì)于服務(wù)時(shí)間長、圍巖變形大的巷道，宜采用韌性較大的鋼纖維噴射混凝土支護(hù)[4]。

對(duì)于受強(qiáng)烈采動(dòng)影響、圍巖破碎的大變形巷道，單獨(dú)采用錨桿、錨噴支護(hù)，不能有效控制圍巖變形，不能保證巷道安全。在這種條件下，可將錨固與注漿有機(jī)結(jié)合，通過注漿充填圍巖內(nèi)的裂隙，將破碎圍巖固結(jié)起來，改善圍巖力學(xué)性質(zhì)，提高圍巖整體強(qiáng)度；也可將錨桿、錨噴支護(hù)與金屬支架聯(lián)合使用，采用U 型鋼可縮性支架支護(hù)巷道[5]。

為全面了解受采動(dòng)影響巷道圍巖支護(hù)體系的受力與變形狀況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行采動(dòng)應(yīng)力、圍巖變形、錨噴支護(hù)受力與變形的監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)巷道支護(hù)效果與安全程度，必要時(shí)，應(yīng)調(diào)整錨噴支護(hù)形式與參數(shù)。

大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，單獨(dú)采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復(fù)雜性和多變性的特點(diǎn)，因而達(dá)不到理想的設(shè)計(jì)效果。只有采用包括試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)和信息反饋、修正設(shè)計(jì)和日常監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法，才是符合井下巷道圍巖特性的科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。其中試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查包括圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及錨固性能測(cè)試等內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評(píng)估和圍巖分類，為初始設(shè)計(jì)提供可靠的參數(shù)。初始設(shè)計(jì)采用數(shù)值計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合的方法進(jìn)行，根據(jù)圍巖參數(shù)和已有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定出比較合理的初始設(shè)計(jì)。然后將初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下，并進(jìn)行詳細(xì)的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證或修正初始設(shè)計(jì)。正常施工后還要進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，保證巷道安全。本設(shè)計(jì)包括試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)，井下施工所需材料、設(shè)備和工藝，礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和儀器等內(nèi)容。

確定支護(hù)參數(shù)的原則：

1）“三高一低”。高強(qiáng)度，高剛度，高可靠性，低密度。

2）臨界支護(hù)強(qiáng)度剛度。支護(hù)強(qiáng)度剛度不能低于臨界。

3）高預(yù)緊力。高預(yù)緊力為關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)達(dá)到桿體屈服載荷30%～60%。

4）相互匹配。支護(hù)參數(shù)須相互匹配，保證支護(hù)整體性能。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案

巷道斷面形狀應(yīng)根據(jù)巷道的用途、圍巖條件、礦壓特點(diǎn)、服務(wù)年限、支護(hù)方式、掘進(jìn)工藝等因素確定，并應(yīng)符合承壓性能好、斷面利用率高、掘進(jìn)與支護(hù)費(fèi)用低的施工要求。設(shè)計(jì)了主要針對(duì)6 號(hào)煤層二采區(qū)下山及回采巷道，見表1。

表1 主要設(shè)計(jì)巷道情況

4 理論計(jì)算

錨桿支護(hù)理論計(jì)算法主要是利用懸吊理論、組合梁理論、自然平衡拱理論、組合拱（壓縮拱）理論以及其他各種力學(xué)方法，分析巷道圍巖的應(yīng)力與變形，進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，給出錨桿支護(hù)參數(shù)的解析解。下面采用自然平衡拱理論，確定相應(yīng)的錨桿支護(hù)參數(shù)。

根據(jù)6 號(hào)煤層巷道形狀和圍巖變形特點(diǎn)，采用自然平衡拱理論進(jìn)行計(jì)算。煤幫破壞深度C 的計(jì)算如下：

式中：Kcx為巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù)；γ 為巷道上方至地表間地層的平均重力密度；H 為巷道距地表深度；B 為表征采動(dòng)影響程度的無因次參數(shù)；fy為煤層堅(jiān)固性系數(shù)；h 為巷道輪廓范圍內(nèi)煤層厚度；φ 為煤的內(nèi)摩擦角。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），可得到四條巷道兩幫破壞深度據(jù)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 6 號(hào)煤層二采區(qū)巷道兩幫破壞深度計(jì)算

通過表2 計(jì)算結(jié)果，由于煤層薄、煤比較堅(jiān)硬，順槽和下山巷道兩幫變形比較小，順槽為0.76 m，下山為0.28 m。

巷道頂板破壞深度b 計(jì)算如下：

式中：a 為巷道的半跨距；α 為煤層傾角；ky為待錨巖層的穩(wěn)定性系數(shù)；fn為錨固巖層的硬度系數(shù)。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可得到四條巷道頂板破壞深度結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 6 號(hào)煤層二采區(qū)巷道頂板破壞深度計(jì)算

通過表3 可以看出，由于巷道頂板為石灰?guī)r頂板，巷道的自穩(wěn)能力很強(qiáng)，巷道頂板破壞深度最大約0.23 m。

5 結(jié)論

通過對(duì)巷道圍巖的物理力學(xué)性能測(cè)定、頂板圍巖賦存特性研究、多種理論計(jì)算等，對(duì)巷道采用錨桿支護(hù)做出如下結(jié)論：

1）L5 石灰?guī)r抗壓、抗拉力學(xué)性能較厚，賦存厚度穩(wěn)定，巷道開掘后頂板自穩(wěn)長度較長。充分利用圍巖自穩(wěn)能力，減小錨桿數(shù)量，在層理裂隙區(qū)域增加錨索支護(hù)。L5 灰?guī)r之上的砂質(zhì)泥巖力學(xué)性能相對(duì)較好，設(shè)計(jì)中將1～5 層巖層：L5 石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、5 號(hào)煤層、砂質(zhì)泥巖歸為一體，受控于L5 關(guān)鍵層。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，目前的錨桿支護(hù)在材料選用、工藝、質(zhì)量控制方面仍有待提高，后期要加強(qiáng)支護(hù)質(zhì)量管理。根據(jù)圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，認(rèn)為6 號(hào)煤層二采區(qū)錨桿支護(hù)可行。