楊營煤礦巷道支護(hù)參數(shù)的分析及評(píng)價(jià)

劉培海 劉 輝 孫立田 王建亭 李登月

(肥城礦業(yè)集團(tuán) 楊營能源有限責(zé)任公司，山東 梁山272600)

0 前言

在巷道支護(hù)參數(shù)分析及評(píng)價(jià)方面，楊營煤礦首先按照理論方法計(jì)算錨噴支護(hù)參數(shù)，然后采用數(shù)值模擬手段對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬分析，預(yù)測支護(hù)參數(shù)是否科學(xué)合理，最后結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐情況，對(duì)錨噴支護(hù)巷道的參數(shù)設(shè)計(jì)及其支護(hù)效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 支護(hù)效果的數(shù)值模擬評(píng)價(jià)

1.1 依托巷道概況

1.1.1 巷道基本概況

本巷道為楊營煤礦井底車場水倉及通道，巷道設(shè)計(jì)長度：內(nèi)水倉全長236.7m、外水倉全長351.1m，水倉聯(lián)絡(luò)巷47.192m，工程量共計(jì)635m。依次穿過九灰及九灰底板細(xì)砂巖、十灰及十灰頂板泥巖。九灰及其底板砂巖由一層灰?guī)r和一層砂巖組成，總厚度8.43m； 灰?guī)r厚0.83m，為薄層灰?guī)r，巖性致密，見溶蝕現(xiàn)象，裂隙較發(fā)育，裂面見方解石細(xì)脈；砂巖總厚7.60m，泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙不發(fā)育。十灰+巖漿巖含水層由一層灰?guī)r和一層巖漿巖組成，總厚度17.4m；灰?guī)r厚6.20m，為厚層灰?guī)r，巖芯較完整，局部裂隙較發(fā)育；巖漿巖厚11.20m，中細(xì)粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)，局部裂隙發(fā)育，局部破碎。

1.1.2 巷道形狀及支護(hù)方案

水倉巷道為一條直墻半圓拱形巖石巷道。巷道荒寬4.1m，荒高3.65m。支護(hù)方式采用錨、網(wǎng)、索、噴聯(lián)合支護(hù)。計(jì)算依托巷道的支護(hù)參數(shù)如下：

（1）依據(jù)單體錨桿懸吊理論，錨桿長度可由以下公式進(jìn)行計(jì)算：錨桿長度l=l1+KH+l2，取2400mm；

式中：l 為錨桿長度，m；K 為安全系數(shù)（一般取2）；l1為錨桿外露長度，m，取決于錨桿類型及構(gòu)造要求等，一般取0.15m；H 為軟弱巖層厚度，m；l2為錨桿錨固長度，m。

（2）根據(jù)錨桿桿體的抗拉力等于錨桿實(shí)際錨固力確定錨桿體直徑：

式中： L 為巷道頂板朝著工作面方向暴露長度，cm；m 為錨固的巖層厚度，cm；N 為在頂板暴露長度L、 寬度為1m 的頂板面積上錨桿的根數(shù)；r 為巖體容重，kN/cm3。

（3）依據(jù)錨桿懸吊作用理論，計(jì)算錨桿間距公式如下：

式中：a 為錨桿間距，m；γ 為巖石平均容重，kN/m3；k 為應(yīng)力集中系數(shù)；l 為被錨固巖體的長度，m。

（4）錨索長度的確定，大多依靠經(jīng)驗(yàn)和工程類比。但以下理論公式可作為參考依據(jù)：

錨索長度La=la1+la2+la3=6.25m，取6300mm；

式中：la為錨索長度，m；la1為錨索外露長度，取0.3m；la2為錨索有效長，m；la3為錨索錨固長度，取2.0m。

（5）噴射混凝土厚度主要由粘結(jié)條件所控制，其計(jì)算公式可以簡化如下：

式中：h 為噴射混凝土厚度，cm；u 為危巖周邊長度，cm；G 為危巖重量，kg；K 為計(jì)算安全系數(shù)，一般取3.0；RLu為噴射混凝土的計(jì)算粘結(jié)強(qiáng)度，MPa。

結(jié)合實(shí)際情況及工程經(jīng)驗(yàn)，錨桿選用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿，規(guī)格為Φ20×2400mm，均勻布置，間排距為950×900mm。金屬網(wǎng)網(wǎng)片由Φ6mm鋼筋焊制，網(wǎng)格100×100mm，網(wǎng)片規(guī)格1400×1000mm。錨索型號(hào)Φ17.8×6300mm，錨索間排距2750×2750mm，在拱部布置2 根。混凝土強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)號(hào)C20，噴厚150mm。

1.2 數(shù)值模型的建立

實(shí)測楊營煤礦原巖應(yīng)力場的第一主應(yīng)力為水平應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力約為垂直應(yīng)力的1.31 倍，最大水平主應(yīng)力為最小水平主應(yīng)力的2.39～2.97 倍，垂直應(yīng)力與按照上覆巖層厚度和容重計(jì)算的垂直應(yīng)力相近。不考慮地下水活動(dòng)的影響，模型左右兩側(cè)限制水平位移, 底部限制垂直移動(dòng),頂邊界施加豎向初始應(yīng)力。進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的幾何模型如圖1 所示。

1.3 數(shù)值模擬參數(shù)

計(jì)算模型的巖層組物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)從上往下見表1。

巖組編號(hào)抗拉強(qiáng)度(MPa)1 粉砂巖 26.2 3.5 0.24 2.0 36 1.7 2 砂質(zhì)泥巖 25.9 3.05 0.18 2.12 32 1.06 3 泥巖 25.5 2.68 0.31 1.23 28 1. 03 4 石灰?guī)r 24.8 2.5 0.34 0.90 32 1.0 5 砂質(zhì)泥巖 26.2 3.25 0.19 2.24 35 1.11 6 細(xì)砂巖 25.4 4.0 0.25 2.64 40 2.0 7 泥巖 25.8 2.39 0.30 1.53 29 1.06巖組名稱容重(KN/m3)彈性模量(GPa)泊松比μ粘結(jié)力(MPa)內(nèi)摩擦角（°）

1.4 模擬結(jié)果與分析

1.4.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在底板圍巖內(nèi)部出現(xiàn)了小范圍的拉應(yīng)力，受拉區(qū)厚度約為0.1m，量值很小，最大拉應(yīng)力為0.89Mpa；頂拱以及兩側(cè)邊墻沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。最小主應(yīng)力圖見圖3，由圖可見，巷道四周大部分圍巖處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力的量值也不大。因此，支護(hù)后的應(yīng)力分布較為有利巷道的穩(wěn)定。

1.4.2 位移結(jié)果

巷道周邊位移量值都不大，兩側(cè)邊墻的位移值比頂?shù)装逦灰浦荡?，且左?cè)邊墻大于右側(cè)邊墻，左側(cè)邊墻處位移值最大為14.8mm；巷道底板處位移量值小于頂板，頂板處位移量值約為10mm，而底板只有4mm。對(duì)于煤礦巷道而言，上述變形量值均不大。

1.4.3 塑性區(qū)分布與錨桿受力分析

巷道周圍出現(xiàn)不同程度的塑性區(qū)。頂拱圍巖的塑性區(qū)厚度最大，約為1.6m，底板、右側(cè)邊墻、左側(cè)邊墻分別為1.5m、1.4m、1.2m。

對(duì)于錨桿、錨索受力，由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知：頂拱中心錨桿軸力為103.54kN，其余位置錨桿的軸力從93.3kN 到102.0kN 大小不等；左側(cè)邊墻錨桿軸力為105.6kN；右側(cè)邊墻錨桿軸力為119.2kN 左右；錨索軸力最大值為442.9kN。由此可見，錨桿、錨索的軸力都在正常范圍。同時(shí)可見，巖層條件比較好的位置，錨桿受力較小，巖層條件較差的位置，錨桿受力相對(duì)較大。

從整體上來看，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力適中，充分發(fā)揮出了應(yīng)有的錨固作用，且錨桿、錨索穿透塑性區(qū)錨固在穩(wěn)定巖層上，有效的控制了巷道圍巖的變形及破壞。

2 設(shè)計(jì)方案實(shí)踐反饋

楊營煤礦井底車場水倉及通道施工2 年后，整條巷道沒有出現(xiàn)片幫、冒頂現(xiàn)象，錨桿、錨索受力沒有出現(xiàn)失效破壞。實(shí)踐證明，本支護(hù)方案是成功的。

3 結(jié)論

3.1 本文介紹的支護(hù)參數(shù)理論設(shè)計(jì)方法非常適合楊營煤礦，依據(jù)此方法可以計(jì)算出較為合理的支護(hù)參數(shù)，可以保證楊營煤礦巷道的安全使用；

3.2 數(shù)值模擬是在支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于實(shí)踐之前很好的檢驗(yàn)方法，可為優(yōu)化支護(hù)參數(shù)合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)，是錨噴支護(hù)參數(shù)檢驗(yàn)的有效途徑；

3.3 理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合的體系是一套非常科學(xué)、合理的支護(hù)參數(shù)分析及評(píng)價(jià)體系，可以很好的預(yù)測巷道的變形情況以及支護(hù)效果，確保巷道的長期安全使用。

［1］康紅普,王金華,林健.煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(11)：1809-1814.

［2］鄭海建,李正剛.深部礦井巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化可行性分析[J].山東煤炭科技，2012(4)：127-128.