段春生

(太原理工大學礦業(yè)工程學院 、晉神能源有限公司沙坪煤礦)

·試驗研究·

大斷面矩形巷道錨桿支護技術(shù)研究

段春生

(太原理工大學礦業(yè)工程學院 、晉神能源有限公司沙坪煤礦)

以某礦15#煤層開采為背景，通過理論計算分析，運用UDEC數(shù)值軟件對15002回采工作面回風順槽進行無錨桿和有錨桿支護的數(shù)值模擬分析，得出了順槽巷道錨桿初始支護技術(shù)方案，并在工程應(yīng)用中取得良好的效果，以對國內(nèi)井下回采巷道支護起到一定的借鑒作用。

錨桿支護；大斷面；巷道；數(shù)值模擬；研究；效果

在圍巖巷道支護領(lǐng)域內(nèi)，研究、提出了多種支護理論并得到了較好的推廣和應(yīng)用[1-2]，但由于我國煤礦地質(zhì)條件的復(fù)雜性，這些理論與實踐往往出現(xiàn)一定的偏差或應(yīng)用不合理，生搬硬套理論，造成我國煤礦巷道頂板跨落、冒頂事故時有發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[3-6]。所以，本文以某煤礦順槽支護為背景，采用經(jīng)驗公式與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究其圍巖的受力、變形及其破壞方式，進而給出其合理的支護方案。

1 工程概況

本文所研究的順槽巷道主要布置在15#煤層附近，15#煤層頂?shù)装鍘r層柱狀巖性表見表1。由于15#煤層頂板為7.0 m的砂巖，為保持巷道有一個完整的頂板，將工作面順槽形式定為矩形巷道，且沿煤層頂板而布置。由于15#煤層和底板泥巖，巖性比較破碎，總體上屬于Ⅳ類不穩(wěn)定圍巖。

表1 15#煤層頂?shù)装鍘r層柱狀巖性表

2 經(jīng)驗公式法確定錨桿支護參數(shù)

經(jīng)驗公式計算法用于錨桿支護設(shè)計，計算得到的僅為錨桿支護的主要參數(shù)，對于錨桿桿體的結(jié)構(gòu)形式，錨固長度，托板、螺母結(jié)構(gòu)形式和強度等不能有效地做出設(shè)計，所以此方法只是用于參數(shù)確定參考[7-10]。

由于該礦工作面順槽大部分沿煤層開拓，屬半煤巖巷，所以，應(yīng)該采用煤巷錨桿支護的經(jīng)驗公式計算參數(shù)。巷道尺寸：寬5.0 m，高4.0 m，斷面積為20.0 m2。

1) 錨桿長度。

L=N(1.5+W/10)

(1)

式中:

W—巷道或硐室跨度，m；

L—錨桿總長度，m；

N—圍巖影響系數(shù)(該礦為Ⅳ類圍巖，取1.2)。

2) 錨桿間距。

M≤1.0/N

(2)

式中:

M—錨桿的間距，m。

3) 錨桿直徑。

d=L/110

(3)

式中:d—錨桿直徑,m。

根據(jù)以上公式計算回風順槽的錨桿支護參數(shù)，見表2。

表2 巷道錨桿支護參數(shù)經(jīng)驗公式計算結(jié)果表

3 錨桿支護的數(shù)值模擬分析

為了弄清巷道圍巖破壞情況，對順槽巷道進行了無支護數(shù)值模擬，數(shù)值模擬軟件采用離散元軟件UDEC，通過對此次數(shù)值模擬結(jié)果的分析，初步認識了該區(qū)域地質(zhì)條件下巷道圍巖破壞規(guī)律，以便下一步錨桿支護方案數(shù)值模擬有的放矢。

3.1無錨桿支護的數(shù)值模擬分析

在無錨桿支護的情況下，順槽巷道圍巖破壞情況見圖1(a)所示，可見巷道兩幫和底板受到較大破壞，其中巷道兩幫破壞尤為嚴重，巷道頂板破壞程度最小，因此,此段支護的重點應(yīng)該是巷道兩幫和底板。

圖1 順槽巷道應(yīng)力應(yīng)變分布圖(無支護)

巷道圍巖的水平應(yīng)力分布見圖1(b)所示，最大水平應(yīng)力為12 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷道兩幫；垂直應(yīng)力分布見圖1(c)所示，最大垂直應(yīng)力值為12 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷道的兩幫；剪切力分布見圖1(d)所示，最大應(yīng)力值為8 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷道兩幫與底板交匯處；圖1(e)和(f)是最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布圖，從圖中應(yīng)力分布來看，最大主應(yīng)力在此區(qū)域應(yīng)力達25～30 MPa，高應(yīng)力分布在兩幫區(qū)域。最小主應(yīng)力同樣不如最大主應(yīng)力那樣顯著，在最小主應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力4～8 MPa，最高到8 MPa。

3.2錨桿支護的數(shù)值模擬分析

根據(jù)前面順槽巷道無錨桿支護時巷道變形破壞效果以及經(jīng)驗公式法確定的錨桿支護參數(shù)，對順槽巷道進行錨桿支護數(shù)值模擬，錨桿直徑22 mm，間排距0.8 m×0.8 m。巷道圍巖破壞情況見圖2(a)所示，相比無錨桿支護時，巷道整體穩(wěn)定性得以提高，變形破壞進一步減小，尤其是頂板和兩幫的完整性保持良好，兩幫與底板交接處的變形破壞程度大大降低。但巷道兩幫依然存在不同程度的偏幫現(xiàn)象。

巷道圍巖的水平應(yīng)力分布見圖2(b)所示，最大水平應(yīng)力為14 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷道頂板，兩幫與底板交叉處等區(qū)域；垂直應(yīng)力分布見圖2(c)所示，最大垂直應(yīng)力值為7 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷道的兩幫；剪切力分布見圖2(d)所示，最大應(yīng)力值為3 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域主要分布于巷道的頂板；圖2(e)和(f)是最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布圖，從圖中應(yīng)力分布來看，頂板上方最大和最小主應(yīng)力以60°左右向兩幫施加壓力。在這一最大和最小主應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，最大主應(yīng)力在此區(qū)域應(yīng)力達14～16 MPa，應(yīng)力最高處是兩幫與頂板交叉處，達到16 MPa。在最小主應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力8～10 MPa，最高到10 MPa。

4 錨桿支護參數(shù)的初始確定

根據(jù)數(shù)值模擬的效果，可見此次錨桿支護能夠保證巷道的穩(wěn)定性。具體支護布置參數(shù)如下：

1) 頂板支護。錨桿形式和規(guī)格：高強度錨桿采用B500材質(zhì)、桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，桿尾螺紋為M24。

錨桿布置：錨桿排距800 mm，每排7根錨桿，間距800 mm。

錨索：單根鋼絞線， 22 mm，長度7.4 m，加長錨固，采用3支錨固劑，錨索采用三花布置，即每排都有錨索。

2) 巷幫支護。錨桿形式和規(guī)格：桿體為 22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，桿尾螺紋為M24。

錨桿布置：錨桿排距800 mm，每排5根錨桿，間距800 mm，頂錨桿距頂435 mm，底錨桿距底板485 mm。

幫錨索：采用直徑 17.8 mm的錨索，長度5.3 m，加長錨固，錨索采用之字型布置，即每排都有錨索，距頂、底板距離分別為1 320、1 495 mm。

3) 底板支護?？紤]到底板為泥巖，較容易出現(xiàn)底鼓，因此,在巷道支護初始設(shè)計中增加了防治巷道底鼓技術(shù)。

錨桿形式和規(guī)格：桿體為中空特種鋼自鉆錨桿。錨桿外徑 25 mm，內(nèi)徑 13 mm，長度2.5 m(分1.0 m和1.5 m兩段，中間有連接套連接)，桿尾螺紋規(guī)格 M25。

錨固方式：水泥注漿，水灰比是1∶2.5，并加入水泥添加劑1.5%(與水泥比)。

錨桿布置：錨桿排距800 mm，每排4+1×2根錨桿，間距1 000 mm。靠近巷道兩幫的錨桿安設(shè)角度為20°。

長錨桿形式和規(guī)格：桿體為中空特種鋼自鉆錨桿。錨桿外徑 25 mm，內(nèi)徑 13 mm，長度5.0 m(分兩段1.0 m和兩段1.5 m連接而成)，自鉆錨桿一次性鉆頭 46 mm。

長錨桿布置：在2排錨桿中間，每隔1.6 m打1根長錨桿。

5 工程實例

采用上述錨桿支護方案后，某礦15002工作面回風順槽掘進50 m過程中，通過觀測的數(shù)據(jù)顯示，巷道變形量大大減小。巷道變形量見表3。

圖2 順槽巷道應(yīng)力應(yīng)變分布圖(錨桿支護)

支護方案變形破壞程度頂沉/mm底鼓/mm側(cè)幫水平位移/mm錨桿+錨索較小179129158

巷道支護一直是采礦領(lǐng)域的一大難題，本文的研究希望對國內(nèi)井下采煤巷道支護有一定的借鑒意義。

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The background of roadway support is 15 coal seam in one mine. Through theoretical calculation and analysis, numerical simulation analysis of large-section gate roadway without bolt and with bolt supporting in 15002 working face by using numerical software UDEC, obtained the roadway bolt supporting technology solutions, and initial success in engineering application, hope that this paper researches on the domestic underground mining of roadway surrounding rock is of certain reference.

Bolt; Large-section; Roadway;Numerical simulation

段春生 男 1980年出生 2009年太原理工大學在讀工程碩士 助理工程師 太原 030024

TD353.6

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1672-0652(2010)10-0021-04

2010-08-22