煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

張建軍

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)小西煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

全煤巷道在掘進(jìn)過(guò)程中破壞了原煤體應(yīng)力平衡狀態(tài)，使煤巖體內(nèi)應(yīng)力在巷道開(kāi)挖空間進(jìn)行釋放。地應(yīng)力在釋放時(shí)對(duì)巷道圍巖產(chǎn)生破壞作用，在巷道圍巖內(nèi)產(chǎn)生松動(dòng)圈，圍巖產(chǎn)生應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在兩幫收縮、底板鼓起、頂板下沉破碎等。煤礦巷道中主要采用錨桿、錨索、鋼棚、注漿等支護(hù)方式進(jìn)行圍巖維護(hù)，但是在實(shí)際支護(hù)中由于對(duì)巷道煤巖體破壞程度了解不夠，支護(hù)措施對(duì)圍巖破壞區(qū)無(wú)法進(jìn)行有效支護(hù)，導(dǎo)致支護(hù)效果差，無(wú)法滿足巷道安全快速掘進(jìn)需求。本文以小西煤礦3107巷為例，合理分析了巷道圍巖破碎情況，并采取合理的錨桿支護(hù)措施。

1 概況

山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)小西煤業(yè)有限公司3107 進(jìn)風(fēng)順槽位于井田一盤區(qū)西翼，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1200 m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.5×4.0 m，巷道掘進(jìn)煤層為3#煤層，煤層平均厚度為4.0 m。3#煤直接頂為細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖或泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度為4.5 m；基本頂為灰色細(xì)粒砂巖、泥巖互層，平均厚度為7.45 m。

3107 進(jìn)風(fēng)順槽沿3#煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，施工巷道北部為3107 回風(fēng)順槽（已掘進(jìn)到位），東部為一盤區(qū)軌道巷、膠帶大巷、回風(fēng)大巷，南部為3107膠帶進(jìn)風(fēng)順槽（已掘進(jìn)到位），西部為回采煤層。由于3107 進(jìn)風(fēng)順槽與3107 膠帶進(jìn)風(fēng)順槽間隔預(yù)留煤柱寬度為20 m，3107進(jìn)風(fēng)順槽布置在應(yīng)力集中區(qū)，且巷道為全煤巷掘進(jìn)，受應(yīng)力影響巷道圍巖煤體穩(wěn)定性差，圍巖破碎嚴(yán)重，支護(hù)效果差。

2 圍巖觀察分析

為了深入了解3107 進(jìn)風(fēng)順槽圍巖破碎情況，決定對(duì)圍巖煤體施工窺視孔，并對(duì)其孔壁成型情況進(jìn)行觀察。

2.1 窺視孔布置參數(shù)

（1）在3107 進(jìn)風(fēng)順槽共計(jì)布置兩組測(cè)點(diǎn)，分別位于巷道開(kāi)口處以及巷道掘進(jìn)20 m 處。每組測(cè)點(diǎn)布置三個(gè)窺視孔（1#、2#、3#），其中1#、2#窺視孔布置在巷幫上，3#窺視孔布置在頂板上。

（2）1#窺視孔為左幫窺視孔，2#為右?guī)透Q視孔，1#、2#孔布置在距頂板1.5 m 處巷幫上，孔直徑為32 mm，深度為5.0 m，窺視孔垂直巷幫布置。3#窺視孔布置在巷道中部頂板上，鉆孔直徑為32 mm，深度為8.0 m，垂直頂板布置。

2.2 窺視孔孔壁觀察

（1）窺視孔施工完畢后，采用鉆機(jī)對(duì)鉆孔進(jìn)行吹屑，吹屑時(shí)間為3～5 min。吹孔后保證孔內(nèi)粉塵散去，以免影響孔內(nèi)能見(jiàn)度及窺視效果。

（2）吹孔完成后，采用CHK7.2（B）型鉆孔成像儀對(duì)窺視孔孔壁進(jìn)行觀察。先將鉆孔窺視儀探頭與安裝桿連接、傳輸線與測(cè)位儀連接，然后將探頭插入鉆孔，觀察不同深度圍巖應(yīng)力破碎情況。

2.3 窺視結(jié)果分析

（1）頂板情況。頂板鉆孔窺視錄像顯示，頂板往上1.2 m 范圍內(nèi)泥巖局部存在裂隙；在1.2～4.27 m范圍內(nèi)內(nèi)巖體較完整，僅存在一條較小的裂隙；在4.27～8.0 m 范圍內(nèi)巖體未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。整體來(lái)說(shuō)，頂板圍巖完整性較好。

（2）右?guī)?。右?guī)兔后w鉆孔窺視錄像顯示，在鉆孔深0～0.4 m 處，破碎明顯，呈塊狀破碎狀態(tài)；0.4～1.5 m 處煤體破碎程度高，完整性差；1.5 m 范圍外煤體破碎程度較低，整體完整性好。

（3）左幫。左幫煤體鉆孔窺視錄像顯示，在左幫鉆孔深度0～1.7 m 范圍內(nèi)煤體完整性好；在1.7～2.0 m 范圍內(nèi)，煤體破壞嚴(yán)重；在2.0 m 范圍外，煤體破碎程度較低，整體完整性好。3107 進(jìn)風(fēng)順槽圍巖整體破碎情況斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 3107 進(jìn)風(fēng)順槽圍巖整體破碎情況斷面示意圖

3 錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 支護(hù)方案

3.1.1 巷幫支護(hù)

（1）通過(guò)施工窺視孔對(duì)巷幫圍巖觀察發(fā)現(xiàn)，在左幫垂直深度1.5 m 范圍內(nèi)煤體破碎嚴(yán)重，在右?guī)痛怪鄙疃?.5 m 范圍內(nèi)煤體破碎嚴(yán)重。所以決定對(duì)左幫采用長(zhǎng)度為2.0 m、直徑為20 mmHRB335 型螺紋鋼錨桿。錨桿屈服強(qiáng)度為335 MPa，抗拉強(qiáng)度為490 MPa，拉斷載荷為153.9 kN，延伸率為16%，每排布置4 根，間距為0.9 m，排距為1.0 m。

（2）為了適應(yīng)右?guī)痛笞冃螄鷰r條件，提高支護(hù)與變形圍巖的耦合作用，決定對(duì)右?guī)筒捎瞄L(zhǎng)度為2.5 m、直徑為20 mmHRB500 型螺紋鋼錨桿。錨桿屈服強(qiáng)度為500 MPa，抗拉強(qiáng)度為670 MPa，拉斷載荷為254.7 kN，延伸率為16%，每排布置4 根，間距為0.9 m，排距為1.0 m。

（3）巷幫錨桿托板采用長(zhǎng)度為0.48 m、寬度為0.25 m“W”型鋼帶，采用150×150×8 mm 的方形托板及1010 尼龍墊圈進(jìn)行預(yù)緊。

3.1.2 頂板支護(hù)

（1）由圖2 可知，在巷道頂板1.0 m 范圍內(nèi)頂板穩(wěn)定性差，在1.0 m 以外頂板巖體相對(duì)穩(wěn)定。所以決定對(duì)頂板采用長(zhǎng)度2.5 m、直徑22 mmHRB600型螺紋鋼錨桿。錨桿屈服強(qiáng)度為600 MPa，抗拉強(qiáng)度為800 MPa，拉斷載荷為304.1 kN，延伸率為16%，每排布置5 根，間排距為1.0 m。

（2）頂板錨索采用1×19 結(jié)構(gòu)、直徑為21.6 mm、長(zhǎng)度為6.0 m 的高強(qiáng)度鋼絞線，設(shè)計(jì)拉斷載荷為583 kN，延伸率為7%。每排布置3 根，錨索間距為1.8 m，排距為3.0 m。

（3）頂板同一排錨桿采用鋼筋梯子梁進(jìn)行固定預(yù)緊。鋼筋直徑為18 mm，梯子梁寬度為0.15 m，長(zhǎng)度為4.2 m。在安裝錨桿的位置焊接上兩道縱筋，縱筋間距為0.1 m。

3.2 支護(hù)效果分析

為了直觀地對(duì)3107 進(jìn)風(fēng)順槽采取錨桿（索）支護(hù)后圍巖應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，決定采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模、模擬。

（1）巷道開(kāi)挖后在支護(hù)前通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，巷道開(kāi)挖中破壞了原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，巷道圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布，巷道圍巖變形增大，靠近巷道周邊圍巖產(chǎn)生屈服破壞，頂板屈服范圍約為2.5 m，兩幫屈服范圍約為1.5 m，頂板和兩幫圍巖屈服破壞深度均達(dá)到較大范圍。巷道極易產(chǎn)生破壞，兩幫嚴(yán)重片幫，頂板下沉量最大為61.8 mm，底鼓量最大為92.1 mm，兩幫移近量124.0 mm。

（2）巷道采用錨桿（索）支護(hù)后，在錨桿支護(hù)擠壓加固和整體錨固作用下，將頂板和兩幫圍巖屈服破壞范圍形成整體錨固結(jié)構(gòu)體，巷道圍巖的屈服破壞情況以及垂直應(yīng)力情況得到有效控制和改善。支護(hù)后垂直應(yīng)力最大值降低為5.56 MPa，如圖2 所示。錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)條件下頂板下沉量控制在20.1 mm，底鼓量最大為16.3 mm，兩幫移近量24.8 mm。

圖2 巷道錨桿（索）支護(hù)后圍巖垂直應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)3107 進(jìn)風(fēng)順槽全煤掘進(jìn)期間圍巖變形、破壞情況進(jìn)行觀察，提出了合理有效的錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)。利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了煤巷圍巖支護(hù)后應(yīng)力變化及變形情況，證明采取支護(hù)措施后，控制了圍巖變形、破壞現(xiàn)象，降低了圍巖應(yīng)力作用，保證了應(yīng)力區(qū)煤巷安全快速掘進(jìn)。