深部煤巷圍巖穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)

魏 征

（山西新景煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著煤礦開采深度的不斷增加，原巖應(yīng)力增大，巖體應(yīng)力環(huán)境以及巖體物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化，造成巷道圍巖穩(wěn)定性差，巷道維護(hù)困難等一系列問題[1-2]。

高水平應(yīng)力是影響深部巷道穩(wěn)定性的重要因素之一[3-5]，但在現(xiàn)有資料所涉及的錨固巖梁力學(xué)模型中并未考慮高水平應(yīng)力的影響；另一方面，深部巷道開挖后，隨著巷道變形，塑性區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，巖梁的跨度將會(huì)增大，而不僅僅是巷道的寬度。本論文將基于以上兩點(diǎn)，并結(jié)合新景煤礦深部煤巷圍巖具體條件，建立新的錨固巖梁力學(xué)模型，對(duì)實(shí)現(xiàn)深部煤巷支護(hù)的穩(wěn)定，降低巷道成本，保障巷道的施工和安全使用，具有重要的意義。

1 煤巷地質(zhì)條件

新景煤礦2305皮帶順槽標(biāo)高為-940～-985 m，巷道斷面為矩形，凈寬為3.6 m，凈高為2.8 m。巷道采用常規(guī)錨桿、金屬網(wǎng)、鋼筋梯及錨索支護(hù)方式。2305軌道順槽基本概況除掘進(jìn)方式采用炮掘以外，同2305膠帶順槽。順槽所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，煤層傾角2°～9°，平均5°。頂板巖性以泥巖、中砂巖為主，底板巖性以泥巖、細(xì)砂巖、中砂巖為主。

2 力學(xué)模型建立

2.1 未加錨巖梁力學(xué)模型

圖1-1為未加錨頂板示意圖，對(duì)其進(jìn)行受力分析，簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，簡(jiǎn)化結(jié)果如圖1-2所示。根據(jù)材料力學(xué)梁的縱橫彎曲理論，對(duì)未加錨頂板力學(xué)模型求解。

在梁的上覆均布荷載q和軸向力F的共同作用下，巖梁任意截面x上產(chǎn)生的彎矩為：

圖1 未加錨巖梁力學(xué)模型

式中：y為梁的撓度；B為梁的長(zhǎng)度；x為巖梁截面距離端面的距離。

進(jìn)而得到撓曲線的微分方程為：

式中：E為拉伸彈性模量，I為慣性矩。

其通解為：

由邊界條件x=0，y=0及x=B，y=0得：

當(dāng)滿足一定條件時(shí)可以對(duì)撓曲線方程（5）做適當(dāng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的前提條件與頂板巖性有關(guān)。由于k=，則當(dāng)頂板巖梁的彈性模量E較大時(shí)，F(xiàn)相比于E是小量級(jí)參數(shù)，即：

所以撓曲線方程（5）可以簡(jiǎn)化為：

由Mmax和F得：

式中：F為軸向力；A為巖梁橫截面面積；W為抗彎剛度系數(shù)；[σ]為巖石極限抗拉強(qiáng)度。

對(duì)式進(jìn)行變換得未加錨巖梁跨度：

2.2 加錨巖梁力學(xué)模型

當(dāng)頂板加錨支護(hù)后，如圖2-1所示，錨桿的錨固力將起到抑制頂板下沉的作用.為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將多個(gè)錨固力轉(zhuǎn)化為布置在B2上的錨固力均布載荷P簡(jiǎn)化后的頂板力學(xué)模型如同2-2。采用與未加錨頂板力學(xué)模型相同的求解方式，最終解得：

圖2 加錨巖梁力學(xué)模型

通過式（13）得到錨桿根數(shù)n、錨固圍巖穩(wěn)定系數(shù)η、巖梁跨度B2等的關(guān)系式，當(dāng)各參數(shù)確定后，錨桿根數(shù)n便隨之確定。

3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 錨桿參數(shù)計(jì)算

3.1.1 錨桿根數(shù)計(jì)算

通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔電視探測(cè)發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)范圍深入巷幫2 m，故取x=2 m，已知巷道寬度L=4.6 m，由公式B2=2x+L計(jì)算可得B2=2×2+4.6=8 m。

所以巖梁的跨度B2為8 m。

將各已知參數(shù)帶入式（13）得如下函數(shù)式：

函數(shù)式（14）對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線如圖3所示。由圖3可知：隨著穩(wěn)固系數(shù)取值的不斷增大，錨桿根數(shù)逐漸增加，最值n收斂于5，之后不再變化，故取n=5。當(dāng)頂板錨桿根數(shù)為5時(shí)，能最大限度地保證頂板支護(hù)的安全穩(wěn)定。

圖3 函數(shù)曲線變化圖

3.1.2 錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

式中：Lg為錨桿長(zhǎng)度，m；H為冒落拱高度，m；K為安全系數(shù)，一般取K=2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗(yàn)，取0.5 m；L2為錨桿在巷道中的外露長(zhǎng)度，一般取0.1m。其中冒落高度H的計(jì)算公式為：

式中：A′為巷道開掘?qū)挾?，按設(shè)計(jì)最寬巷道，取4.6 m；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取5。計(jì)算得H=0.46 m。

則：Lg=2×0.46+0.5+0.1=1.52 m。

3.1.3 錨桿間排距計(jì)算

通常錨桿間排距相等，取為a：

式中：a為錨桿間排距，m；Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，120 kN/根；ρ為被懸吊砂巖的重力密度，取25 kN/m3。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得a=2.28 m。

通過計(jì)算及結(jié)合巷道掘進(jìn)過程中所揭露巖石的賦存狀況和巖體層理厚度、層間結(jié)構(gòu)關(guān)系，決定巷道頂部采用Φ22×2 400 mm的高強(qiáng)錨桿，間排距為900 mm×800 mm；幫部采用Φ20×2 200 mm的全螺紋錨桿，間排距為1 000 mm×800 mm，能滿足支護(hù)要求。

3.2 錨索參數(shù)計(jì)算

3.2.1 錨索長(zhǎng)度計(jì)算

式中：Ls為錨索長(zhǎng)度，m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，m；Lb為需要懸掛的不穩(wěn)定巖層厚度，取2.0 m；Lc為上托盤及鎖具的厚度，取0.2 m；Ld為需要外露的張拉長(zhǎng)度，取0.25 m。

錨索錨固長(zhǎng)度La按下式確定：

式中：K′為安全系數(shù)，取 K′=2；d1為錨索鋼絞線直徑，取17.8 mm；fa為錨索鋼絞線抗拉強(qiáng)度，取1 860 N/mm2；fc為錨索與錨固劑的黏合強(qiáng)度，取10 N/mm2。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：La≥1.655 m，Ls=4.15 m。

根據(jù)計(jì)算和現(xiàn)有錨索規(guī)格，錨索長(zhǎng)度取6500mm。

3.2.2 錨索間排距計(jì)算

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)錨索間排距應(yīng)滿足不大于孔深的一半，即 6 300 mm/2K′=2 625 mm（K′為安全系數(shù)，取1.2）。

設(shè)計(jì)取錨索間距1.3 m、排距2.4 m＜2.625 m。

根據(jù)以上計(jì)算，頂部采用長(zhǎng)度6 500 mm，直徑為17.8 mm的鋼絞線錨索，間排距1 300 mm×2 400 mm，符合要求。

3.3 支護(hù)方案確定

3.3.1 頂板支護(hù)

頂板布置高強(qiáng)錨桿，數(shù)量為每排5根，規(guī)格為Φ22×2 400 mm，間排距為900 mm×800 mm。錨索每排2根，錨索規(guī)格Φ17.8×6 500 mm，間排距為1 300×2 400 mm，每根錨索采用3支MSK2550樹脂錨固劑錨固。頂部錨桿錨固力不小于120 kN，預(yù)緊力矩不小于260 N·m，錨索預(yù)應(yīng)力不小于120 kN。

3.3.2 兩幫支護(hù)

兩幫每排布置6根等強(qiáng)錨桿，規(guī)格為Φ20×2 200 mm，間排距為1 000 mm×800 mm。兩幫網(wǎng)片采用塑料網(wǎng)2 500 mm×2 000 mm，幫部預(yù)緊力矩不小于160 N·m，錨固力不小于80 kN。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

利用預(yù)先布置的十字測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道斷面進(jìn)行為期一個(gè)月的監(jiān)測(cè)，獲得了巷道頂板下沉量、兩幫移近量、頂?shù)装逡平康纫幌盗斜砻嫖灰茢?shù)據(jù)，并對(duì)其整理，繪制成表面位移監(jiān)測(cè)曲線圖。具體如圖4所示。

圖4 2305膠帶順槽表面位移監(jiān)測(cè)曲線

由位移監(jiān)測(cè)曲線圖可知：該巷道的頂板下沉量、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量分別約為124 mm、210 mm、140 mm。頂板下沉量在巷道掘進(jìn)15天左右趨于穩(wěn)定，之后變化微小。兩幫移近量前8天內(nèi)變化量基本恒定，最終在巷道掘進(jìn)10天后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的移近量。

4.2 錨桿（錨索）受力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

使用錨桿（錨索）測(cè)力計(jì)對(duì)2305膠帶順槽進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 錨桿（錨索）受力監(jiān)測(cè)曲線

由監(jiān)測(cè)曲線圖5可知：初期對(duì)錨桿、錨索施加的預(yù)緊力基本滿足支護(hù)設(shè)計(jì)要求。在巷道掘進(jìn)初期，錨桿、錨索受力顯著增加，持續(xù)15天左右，之后維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，頂錨索、頂錨桿、左幫錨桿和右?guī)湾^桿最終受力大小分別為110 kN、96 kN、68 kN、57 kN。

5 結(jié)論

根據(jù)新景煤礦2305順槽地質(zhì)情況，利用理論計(jì)算的方法對(duì)煤巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

1）基于高水平應(yīng)力影響巷道穩(wěn)定性以及巖梁跨度隨巷道變形而增大兩個(gè)因素，建立新的錨固巖梁力學(xué)模型，對(duì)深部煤巷支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出新景煤礦2305順槽具體支護(hù)參數(shù)：頂板每排布置5根錨桿，采用Φ22×2 400 mm高強(qiáng)錨桿，間排距為900 mm×800 mm；兩幫布置6根錨桿，采用Φ20×2 200 mm全螺紋錨桿，間排距1 000 mm×800 mm；頂板錨索每排2根，錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6 500 mm，間排距為1 300 mm×2 400 mm。

2）對(duì)順槽施加支護(hù)后，巷道頂板下沉量、頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平孔畲笾捣謩e為124 mm、210 mm、140 mm；巷道頂錨索、頂錨桿、左幫錨桿和右?guī)湾^桿受力最終維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，最大值分別為110 kN、96 kN、68 kN、60 kN。設(shè)計(jì)的支護(hù)方式能有效抑制巷道的變形破壞，保證巷道支護(hù)安全，支護(hù)系統(tǒng)是穩(wěn)定、可靠的。