基于多目標(biāo)正交試驗(yàn)的錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

劉云強(qiáng)

(陜西華彬煤業(yè)股份有限公司蔣家河煤礦，陜西 彬州 713500)

0 引言

2010年以來，新掘巷道采用錨桿支護(hù)技術(shù)占比已經(jīng)在90%以上，常用的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法有工程類比法、理論分析法和以地應(yīng)力測(cè)試為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等[1]。動(dòng)態(tài)系數(shù)設(shè)計(jì)方法以其準(zhǔn)確性、適應(yīng)地質(zhì)條件多變性特點(diǎn)在煤礦錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中得到較好地應(yīng)用，而地應(yīng)力、煤巖力學(xué)特性及圍巖結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，推動(dòng)了該設(shè)計(jì)方法在煤礦中的進(jìn)一步應(yīng)用。

進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化時(shí)，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法較多地采用單一參數(shù)比較法和正交試驗(yàn)法，尤其是正交試驗(yàn)法以其能分析優(yōu)化參數(shù)之間是否存在交叉影響關(guān)系而更能準(zhǔn)確地反映錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。近十年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)正交試驗(yàn)進(jìn)行了較多研究。劉海雁等[2]采用正交數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究不同錨桿長(zhǎng)度、預(yù)緊力及頂角錨桿安裝角度下的塑性區(qū)體積、頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪諗苛康淖兓?guī)律，在此基礎(chǔ)上，提出巷道錨桿支護(hù)正交設(shè)計(jì)矩陣分析方法[3-8]。馬生徽等[9]采用正交試驗(yàn)極差分析法分析不同支護(hù)參數(shù)組合對(duì)支護(hù)效果的影響，為玻璃鋼錨桿合理支護(hù)參數(shù)的選取提供依據(jù)；郭保華等[10]對(duì)不同圍巖強(qiáng)度下交岔點(diǎn)巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了極差和方差分析；孟超等[11]采用正交試驗(yàn)極差分析法對(duì)沿空掘巷條件下的錨桿長(zhǎng)度、錨桿間距、錨桿預(yù)緊力、錨桿直徑4項(xiàng)錨桿支護(hù)主要參數(shù)的敏感性進(jìn)行了對(duì)比分析研究；董宗斌[12]應(yīng)用正交試驗(yàn)的方法，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖變形為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演，基于反演得到的圍巖力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行了錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者較多以頂?shù)装逡平炕騼蓭鸵平繂文繕?biāo)作為錨桿支護(hù)參數(shù)的正交試驗(yàn)方案選擇依據(jù)，而往往忽視了兩者的綜合影響，需進(jìn)一步提高支護(hù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

蔣家河煤礦ZF215工作面位于二采區(qū)3條大巷的北側(cè)，南側(cè)為二采區(qū)設(shè)計(jì)變更后2條大巷護(hù)巷煤柱，西側(cè)為二采區(qū)未采實(shí)煤體，東側(cè)為ZF213工作面，北鄰礦井邊界保護(hù)煤柱，埋深約440～500 m。所采煤層為4號(hào)煤，屬穩(wěn)定煤層，厚度2.6～6.1 m，平均4.0 m。煤層結(jié)構(gòu)單一，局部含1層0.1～0.3 m厚的夾矸，普氏硬度系數(shù)1.9～2.7。ZF215工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)斷面為矩形5.0 m×3.1 m(寬×高)，巷道頂?shù)装鍘r體特性見表1。

表1 頂?shù)装鍘r體特性

2 正交試驗(yàn)及分析

2.1 正交試驗(yàn)因素水平確定

2.1.1 錨桿直徑

依據(jù)煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)相關(guān)規(guī)范，鉆孔直徑與錨桿桿體直徑之差應(yīng)為6～10 mm。因此，對(duì)于目前煤礦普遍使用的28 mm鉆孔，適宜錨固的錨桿直徑為18～22 mm，選取錨桿直徑18 mm、20 mm、22 mm共3個(gè)水平參與正交試驗(yàn)。

2.1.2 預(yù)緊力

我國(guó)錨桿預(yù)緊力設(shè)計(jì)一般要求達(dá)到錨桿屈服載荷的30%～60%，蔣家河煤礦采用材質(zhì)為HRB335的錨桿，預(yù)緊力上限范圍為51.2～76.4 kN(直徑18～22 mm)。選取錨桿預(yù)緊力50 kN、60 kN、70 kN共3個(gè)水平參與正交試驗(yàn)。

2.1.3 錨桿長(zhǎng)度

對(duì)類似地質(zhì)條件巷道ZF211工作面回風(fēng)巷進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，結(jié)果如圖1所示。依據(jù)ZF211工作面回風(fēng)巷圍巖松動(dòng)圈探測(cè)結(jié)果，ZF215工作面地質(zhì)條件類似，圍巖松動(dòng)范圍1.8～2.0 m，考慮到探測(cè)時(shí)間為回采期間，巷道開挖時(shí)間較長(zhǎng)，確定圍巖松動(dòng)圈為1.8 m。取錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度0.5 m，外露長(zhǎng)度0.1 m，錨桿長(zhǎng)度要大于2.4 m，選取錨桿有效長(zhǎng)度2.2 m、2.4 m、2.6 m共3個(gè)水平參與正交試驗(yàn)。

圖1 圍巖松動(dòng)圈地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)Fig.1 Detection of surrounding rock loose circle by geological radar

2.1.4 錨桿間排距

錨桿間距依據(jù)支護(hù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定為900 mm。選取700 mm、800 mm、900 mm共3個(gè)錨桿排距水平參與正交試驗(yàn)。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

ZF215工作面回風(fēng)巷錨桿支護(hù)參數(shù)正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析結(jié)果如圖2所示。由極差值R可知，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，頂板控制效果顯著，而煤幫基本不變；錨桿間排距對(duì)頂?shù)装?、兩幫變形均影響較大，間排距越小，圍巖控制效果越好；錨桿直徑對(duì)圍巖變形影響相對(duì)次之，錨桿直徑越大，控制圍巖變形效果越好；而錨桿的直徑達(dá)到一定長(zhǎng)度后，繼續(xù)增加，對(duì)圍巖控制效果影響較小。且四因素之間基本不存在交互作用。隨著錨桿預(yù)緊力的增加，兩幫變形一直緩慢減小，而頂板變形在錨桿預(yù)緊力60 kN時(shí)最小，錨桿預(yù)緊力繼續(xù)增大，頂板變形反而變大，因此，確定錨桿預(yù)緊力為60 kN。隨著錨桿直徑、錨桿長(zhǎng)度的增加，圍巖變形量呈線性減少，但錨桿直徑對(duì)圍巖變形減小的影響幅度遠(yuǎn)大于錨桿長(zhǎng)度，因此，確定錨桿直徑為22 mm，錨桿長(zhǎng)度只需滿足最低長(zhǎng)度要求2.4 m。增加錨桿間排距，支護(hù)成本基本呈線性減少，但圍巖變形呈線性增加，綜合考慮圍巖控制效果與支護(hù)成本，確定錨桿間排距為900 mm×800 mm。

圖2 正交試驗(yàn)因素水平對(duì)圍巖變形的影響趨勢(shì)Fig.2 Influence of orthogonal test factors on surrounding rock deformation

3 工程應(yīng)用

3.1 具體錨桿支護(hù)參數(shù)

3.1.1 頂錨桿支護(hù)

頂錨桿間排距為900 mm×800 mm，每排6根錨桿，錨桿為φ22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷全長(zhǎng)錨固，錨固力要求大于120 kN，頂角錨桿外斜15°安裝，其余錨桿均垂直巖面安裝，安裝扭矩為400 N·m。

3.1.2 幫錨桿支護(hù)

兩幫錨桿間排距900 mm×800 mm，每排每幫4根錨桿，錨桿為φ22 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷全長(zhǎng)錨固，錨固力要求大于120 kN，底角、幫角錨桿外斜10°安裝，其余錨桿均垂直巖面安裝，安裝扭矩為400 N·m。

3.1.3 錨索支護(hù)

頂板錨索參數(shù)為φ22 mm×7 300 mm，排距為1 600 mm，布置在兩排錨桿中間。采用“三三布置”方式，頂板中部安裝1根，兩側(cè)各安裝1根，與煤幫水平距離1 000 mm，頂板錨索間距1 500 mm；實(shí)體煤幫錨索排距為1 600 mm，布置在兩排錨桿中間，與頂幫錨索成排布置。采用“二二布置”方式，下排錨索距離底板750 mm垂直安裝，參數(shù)為φ22 mm×4 800 mm，上排錨索距離頂板1 000 mm外斜10°安裝，參數(shù)為φ22 mm×7 300 mm；煤柱幫錨索參數(shù)為φ22 mm×4 800 mm，排距為800 mm，布置在兩排錨桿中間，與頂幫錨索成排布置。采用“二一二布置”方式，下排錨索距離底板750 mm垂直安裝，上排錨索距離頂板1 000 mm垂直安裝，單根成排的錨索布置在煤幫中部，距離底板高度1 550 mm。每根錨索均采用2支K2335和2支Z2360樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固。具體巷道支護(hù)參數(shù)如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)斷面Fig.3 Section of roadway support

3.2 應(yīng)用效果

工程應(yīng)用效果表明，采用基于多目標(biāo)交叉分析的錨桿支護(hù)參數(shù)正交試驗(yàn)有效控制了圍巖變形，如圖4所示。在巷道服務(wù)期間，兩幫移近量572 mm，頂?shù)装逡平?25 mm，圍巖控制效果較好。

圖4 巷道變形與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between roadway deformation and time

4 結(jié)論

(1)基于多目標(biāo)交叉分析的錨桿支護(hù)參數(shù)正交試驗(yàn)，確定了合理支護(hù)方案，給出了巷道支護(hù)參數(shù)。

(2)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)，增加錨桿直徑和錨桿預(yù)緊力對(duì)于控制巷道變形最為經(jīng)濟(jì)；增加錨桿布置密度對(duì)于控制巷道變形最為有效，而錨桿長(zhǎng)度達(dá)到最低長(zhǎng)度要求后，繼續(xù)增加，作用較小。

(3)該支護(hù)方案應(yīng)用于蔣家河煤礦ZF215工作面回風(fēng)巷支護(hù)工程后，兩幫移近量572 mm，頂?shù)装逡平?25 mm，圍巖控制效果較好。