東大礦大斷面軟巖巷道圍巖控制技術研究與應用

成小勇

(晉能控股煤業(yè)集團 恒源公司，山西 晉城 048006)

1 工程概況

山西沁東能源有限公司東大礦中央進風大巷井+25.95～+125.226 m，工作面西北方向中央回風大巷(正掘)，西南方向矸石存車線(已掘)、溜矸斜巷(未掘)、+120井底車場(主、回貫通措施巷)(已掘)，東南方向膠輪車存車硐室(未掘)、中央輔運大巷(正掘)。中央進風大巷布置在泥巖和砂質泥巖中，巖層內節(jié)理裂隙發(fā)育，屬于軟弱-半堅硬類，且巷道掘進區(qū)域小構造相對發(fā)育，巷道斷面為半圓拱形，斷面凈寬×凈高=5.0 m×4.2 m，屬大斷面，現(xiàn)為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，基于類似工程背景，擬采用錨網噴支護。為保障各項支護參數合理，確保支護效果，特進行巷道支護方案設計。

2 錨網索支護參數分析

2.1 支護方案優(yōu)選

為有效確定巷道錨網索合理的支護參數，通過采用FLAC3D數值模擬軟件進行不同支護方案的對比分析，基于中央進風大巷的地質條件，建立數值模型長×寬×高=50 m×50 m×50 m，模型底部邊界固定，上部邊界施工等效荷載，左右邊界限制在X軸方向的位移[1-3]。結合鄰近巷道掘進施工時的現(xiàn)場工程經驗，設計3種方案進行對比分析，具體模擬方案見表1。

表1 模擬方案

根據數值模擬結果，具體進行不同支護方案下圍巖變形特征、圍巖應力特征和塑性區(qū)分布特征的分析，具體如下：

1) 圍巖變形特征：根據數值模擬結果，得出巷道不同支護方案下圍巖水平和垂直位移分布，如圖1所示。

圖1 不同支護方案下圍巖變形分布等值線

分析圖1可知，巷道在采用支護方案一時，巷道頂板下沉量為210 mm，左右兩幫變形量為460 mm；巷道采用支護方案二時，頂板下沉量為170 m，巷道左右兩幫變形量降低為分別降低為280 mm和290 mm，圍巖變形量呈現(xiàn)一定幅度的降低，但圍巖整體變形量仍較大；當巷道采用方案三進行支護時，巷道頂板下沉量降為99 mm，左右兩幫變形量分別降為130 mm和131 mm，圍巖變形降幅顯著，圍巖變形量產生較大幅度降低的主要原因為錨索長度增大、間排距縮小后，充分錨固在頂板細粒砂巖穩(wěn)定巖層內，錨固效果顯著，提升了頂板的主動支護能力，另一方面，巷道錨桿間排距的縮小，提升了淺部圍巖破碎圍巖體的整體性。

2) 圍巖應力分布特征：根據數值模擬結果能夠得出巷道在不同支護方案下圍巖垂直應力分布等值線圖，如圖2所示。

圖2 不同支護方案下圍巖垂直應力分布云圖

分析圖2可知，巷道在采用方案一進行支護時，巷道兩幫及頂底板深部存在著較大的應力集中現(xiàn)象，頂部2～3 m的范圍內存在1個拱形應力降低區(qū)，頂底板及兩幫在巷道3 m深度處達到原巖應力；在采用方案二進行支護時，在巷道表面2～3 m處圍巖應力達到原巖應力，巷道頂部1～2 m的范圍內存在1個應力降低區(qū)域，且隨著巷道圍巖深度的增大，圍巖在深部的應力集中現(xiàn)象逐漸增大，相較于方案一，巷道底板兩底角處的應力集中呈現(xiàn)出一定程度的降低；巷道采用支護方案三時， 巷道兩幫在2～3 m的位置處達到原巖應力，頂板上部2 m范圍內為應力降低區(qū)，相較于方案一和方案二，巷道底板圍巖的淺部應力增高區(qū)域降幅明顯，圍巖應力分布均勻。

綜合上述圍巖變形及應力分布特征分析，確定巷道合理的支護方案應選擇方案三。

2.2 錨桿索錨固參數分析

1) 錨桿錨固參數：根據本次巷道支護方案中，錨桿采用D22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿的錨固參數計算公式如下[4-5]：

Fc100=0.1π·dh·τc
Fs100=0.1π·dh·τs

(1)

式中：Fc100為煤巖體內每100 mm孔長的錨固力；Fs100為樹脂錨固劑每100 mm孔長的錨固力；τc為煤巖體的抗剪強度；τs為樹脂錨固劑的抗剪強度；dh為錨桿孔直徑。根據巷道地質條件，確定τc=1.14 MPa，dh=28 mm，τs=6.5 MPa。據此計算得出錨孔的錨固力為10 kN，樹脂錨固劑錨固力為57.1 kN。

巷道頂板及兩幫錨固長度計算公式如下[6]：

(2)

式中：l錨固為錨桿的錨固長度；Q為錨桿錨固力；計算得出頂板和兩幫的錨固長度分別為1 000 mm和900 mm。確定本次錨桿支護采用Z2350型中速樹脂錨固劑，為方便施工，確定頂板及兩幫錨固長度均為1 000 mm。

2) 錨索錨固參數：本次巷道錨索采用D22 mm×8 300 mm的1×7股鋼絞線，根據錨索型號，確定錨索設計荷載為256 kN，錨索錨固長度計算公式如下：

(3)

式中：La1和La2均為錨索錨固長度；K為安全系數，取1.5；n為錨索根數，取1；d為鋼絞線直徑，取22 mm；D為鉆孔直徑，取28 mm；fa和fb分別為錨索與錨固劑的粘結強度及樹脂與孔壁的粘結度，fa=10 MPa、fb=3 MPa。取La1和La2計算結果的最大值為錨索錨固長度，基于計算結果確定錨索錨固長度為1.5 m。

3 圍巖控制技術

3.1 支護方案

根據中央進風大巷具體地質條件，結合錨桿索支護參數分析結果，確定巷道采用錨網噴支護，具體支護參數如下：

1) 錨桿參數：錨桿采用桿體為D22 mm左旋無縱筋超高強度螺紋鋼錨桿，長度2 400 mm，桿尾螺紋為M22，型號為MSGLW-500/22×2 400(簡稱：超高強度錨桿)。錨固方式為樹脂加長錨固，錨固長度為不小于1 000 mm，錨桿間排距800 mm×800 mm，頂部及拱部錨桿共11根。幫錨桿：兩幫各布置2根錨桿，起錨高度不大于400 mm，錨桿布置時均垂直于巖體打設；預緊力矩不小于400 N·m。

2) 錨索參數：采用型號均為SKP22-1/1860-8 300 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線， 錨索與頂板巖面角度為90°，每排布置3根錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm，沿拱部中心線對稱布置；錨索錨固方式采用樹脂端式錨固，錨固長度1 500 mm，預緊力不小于290 kN。

3) 網片規(guī)格及參數：巷道采用鋼筋網片進行護頂，網片規(guī)格型號為GW6.5/100-3 000×1 100，采用直徑為6.5 mm的鋼筋焊接而成，網片規(guī)格為(長×寬)=3 000 mm×1 100 mm，網孔規(guī)格100 mm×100 mm。網與網之間采用勾接形式連接，勾接長度100 mm。

4) 噴混凝土參數：巷道噴射混凝土的厚度為150 mm，混凝土干料配合比為：水泥∶石子∶黃沙=1∶2∶2(重量比)，水灰比=0.45，混凝土標號C25。水泥、石子、黃沙采用體積比進行混配，速凝劑摻合量為水泥重量的6%.

5) 巷道鋪底：鋪底厚度為150 mm，混凝土強度等級為C30。

具體中央進風大巷支護參數如圖3所示。

圖3 中央進風大巷支護斷面(mm)

3.2 效果分析

中央進風大巷掘進期間，在巷道掘進迎頭位置區(qū)域設置圍巖變形觀測點，圍巖變形觀測采用十字布點法，根據觀測結果繪制出圍巖變形曲線，如圖4所示。

圖4 巷道掘進期間圍巖變形曲線

分析圖4可知，中央進風大巷掘進期間，圍巖變形量主要出現(xiàn)在巷道掘出后的0～25 d內，當巷道掘進25 d后，圍巖變形速率大幅下降，巷道掘出30 d后，圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài)，頂底板及兩幫變形量均不再變化，最終頂底板及兩幫移近量的最大值分別為52 mm和75 mm，由于巷道高度較大，兩幫圍巖存在部分處于軟弱泥巖層內，故而導致兩幫圍巖變形量大于頂底板移近量。綜合上述分析可知，巷道在現(xiàn)有支護方案下，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結 語

根據中央進風大巷的地質條件，通過錨桿索支護參數的計算分析，確定合理的錨桿索支護方案。結合巷道具體條件，進行巷道錨網噴支護參數的設計分析，根據巷道掘進期間的圍巖變形觀測結果可知，巷道現(xiàn)有支護方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。