軟巖巷道U型鋼支架-錨索協(xié)同支護(hù)設(shè)計研究

董洪青 王 新

（1.滕州市金達(dá)煤炭有限責(zé)任公司，山東 滕州 277500；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266000）

1 前言

煤炭資源是我國能源構(gòu)成的重要組成部分。地層淺部煤炭資源已經(jīng)越來越少，逐漸向深部發(fā)展，當(dāng)開挖到一定深度時，巷道圍巖將承受很高的應(yīng)力，導(dǎo)致圍巖破碎，軟巖巷道問題更加突出。為了保證井下作業(yè)安全，軟巖巷道支護(hù)問題變得更加重要。

本文以鑫安煤礦-600m運(yùn)輸巷道為研究對象，巷道圍巖破碎，裂隙發(fā)育，巷道穩(wěn)定性極差。采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道變形監(jiān)測，巷道變形較大，兩幫及頂?shù)装迨諗繃?yán)重。分析巷道大變形原因，提出采用U型鋼支架-錨索對巷道進(jìn)行支護(hù)，對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，并應(yīng)用于工程實(shí)際，發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形大大減小，增加巷道穩(wěn)定性。

2 工程概況

鑫安煤礦-600m巷道維修主要用途是形成回風(fēng)系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、上下人員、管線敷設(shè)。由于巷道埋深較深，加上該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力作用明顯，巷道斷面設(shè)計為半圓拱形，SA荒= 19.3m2，SA凈= 17.6m2，凈寬5500mm，凈高3800mm。采用錨桿和金屬網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)參數(shù)為：錨桿Φ22mm、L2300mm螺紋鋼式樹脂錨桿，間排距1000×800mm，底排錨桿下扎不小于30°，起錨距400mm，使用2塊MSZ2350樹脂藥卷錨固；金屬網(wǎng)為Φ6.5mm圓鋼焊接而成，頂部采用規(guī)格：1950×1050mm，網(wǎng)格70×70mm，幫部采用規(guī)格：1950×1050mm，網(wǎng)格100×100mm，使用14#鐵絲對折雙股繞三圈采用專用工具擰緊，扣距300mm，全斷面掛網(wǎng)。

巷道支護(hù)完成后，采用十字布點(diǎn)法對巷道兩幫移近量和頂?shù)装逦灰屏窟M(jìn)行監(jiān)測。該巷道使用1年后，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，巷道兩幫移近量為286mm，頂?shù)装逡平繛?66mm，并且巷道圍巖十分破碎，裂隙發(fā)育，軌道變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響巷道的正常使用。通過多次維修，大大增加投入成本，迫切需要對巷道進(jìn)行重新支護(hù)設(shè)計。

3 U型鋼支架-錨索協(xié)同支護(hù)理論

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件并參考同條件下礦井巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，提出采用U型鋼支架-錨索協(xié)同支護(hù)的優(yōu)化方案。U形鋼支架-錨索配合使用，通過在合適的位置打設(shè)錨索，增加U型鋼支架的承載能力，主要通過增加錨索的支架進(jìn)行承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性補(bǔ)償，同時棚式支架又為錨索支護(hù)提供良好的護(hù)表構(gòu)件，發(fā)揮和提高錨索的錨固性能。U形鋼支架-錨索支撐可以改善巷道圍巖的應(yīng)力分布，提高淺埋巷道圍巖的殘余強(qiáng)度。同時，通過錨索的錨固作用，優(yōu)化了U形鋼支架的承載性能，提高了U形鋼支架的承載力和抗變形能力，提高U形鋼支架的整體穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)U形鋼支架的整體承載。當(dāng)圍巖變形壓力較大時，U形鋼支架與周圍巖石一起變形，承載變形；兩幫和肩窩是變形壓力最大的部位，錨索對U形鋼支架的上述部分的變形提供了很大的阻力，并且防止了支架中的突變形狀。同時，U形鋼支架用作整體結(jié)構(gòu)，并且支架被限制在有限的變形空間中，通過支架重疊部分的收縮釋放剩余的大變形，實(shí)現(xiàn)U型鋼支架高阻可縮的特性。

通過理論分析與現(xiàn)場實(shí)際情況，將巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計為：U36型鋼支架為基本支護(hù)，棚距600mm，搭接長度450mm，采用三副卡纜搭接；在巷道右?guī)蛶湍_、兩幫幫中、兩起拱線、頂板中間位置分別安裝錨索，并采用11號工字鋼托梁，將U型鋼支架與結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索耦合為整體，錨索采用17.8mm×6000mm，1860MPa鋼絞線。錨索呈正方形布置，長度為6000mm，間排距1000×600mm，錨固長度不少于1000mm，預(yù)緊力不少于400N·m，錨固力不少于70kN，錨索安裝垂直于巷壁，夾角不少于75°。錨索起錨距為350mm，幫角處錨索向下與水平方向夾角為35°，幫中錨索長度采用17.8mm×8000mm，1860MPa鋼絞線。如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)示意圖

4 巷道穩(wěn)定性研究

在巷道內(nèi)選取3個監(jiān)測點(diǎn)，分布于巷道1/4、1/2、3/4長位置處，采用十字布點(diǎn)法，對巷道進(jìn)行為監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過對巷道進(jìn)行為期1年的監(jiān)測，巷道監(jiān)測點(diǎn)1頂板下移量為35.48mm，兩幫移近量為32.02mm，底鼓量為19.66mm；監(jiān)測點(diǎn)2頂板下移量為39.33mm，兩幫移近量為24.25mm，底鼓量為20.96mm；監(jiān)測點(diǎn)3頂板下移量為34.38mm，兩幫移近量為23.09mm，底鼓量為21.52mm。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，與原有支護(hù)方式相比，頂?shù)装逡平繙p少了85.03%，兩幫移近量減少了90%以上，巷道變形得到有效控制，巷道穩(wěn)定性大大提高。

對巷道進(jìn)行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，采用原有的支護(hù)方案，巷道塑性區(qū)主要集中在巷道頂部、拱肩位置，其中頂部塑性區(qū)深度為3.8m，拱肩位置塑性區(qū)深度為4.3m，在兩幫幫角位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。采用U型鋼支架-錨索支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，巷道頂部和拱肩位置塑性區(qū)深度得到降低，深度分別為0.6m和1.3m，幫角位置應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效改善，巷道受力更加均勻，滿足巷道穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

（1）在原有支護(hù)方案下，巷道運(yùn)行半年，兩幫移近量為286mm，頂?shù)装逡平繛?66mm，巷道圍巖十分破碎，裂隙發(fā)育，巷道大變形。

（2）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況提出采用U型鋼支架-錨索協(xié)同支護(hù)方案：U36型鋼支架為基本支護(hù)，棚距600mm，在巷道右?guī)蛶湍_、兩幫幫中、兩起拱線、頂板中間位置分別安裝17.8mm×6000mm鋼絞線錨索，采用11號工字鋼托梁，將U型鋼支架與結(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索耦合為整體。

（3）現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬分析可以得到，與原有支護(hù)方式相比，頂?shù)装逡平繙p少了85.03%，兩幫移近量減少了90%以上，巷道變形得到有效控制，巷道頂部和拱肩位置塑性區(qū)深度得到降低，幫角位置應(yīng)力集中現(xiàn)象得到有效改善，巷道受力更加均勻，巷道穩(wěn)定性大大提高。