礦井巷道錨桿支護(hù)的應(yīng)力分布

于海威

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 店坪煤礦，山西 呂梁 033102）

小莊煤礦4302 回風(fēng)順槽總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1348 m，該巷從四采區(qū)皮帶巷（西翼） 900 m 處開口，以270°29′19″方位角向前掘進(jìn)，先沿5°下山掘進(jìn)，逐漸破頂，掘進(jìn)到四采區(qū)回風(fēng)巷上方時(shí)保證與四采區(qū)回風(fēng)巷之間留有最少500 mm 厚的煤層；掘進(jìn)至46 m 后與4302 回風(fēng)順槽回風(fēng)道貫通，以6°37′坡度下山掘進(jìn)，掘進(jìn)到四采區(qū)膠輪車巷上方時(shí)，保證與四采區(qū)膠輪車之間留有最少500 mm 厚的煤；掘進(jìn)至99 m 與4302 回風(fēng)順槽聯(lián)絡(luò)巷貫通后，以5°～7°下山找見煤層底板，最后沿3 號(hào)煤層底板使用采綜掘方式掘進(jìn)到指定位置。

1 概況

1.1 煤層的特征參數(shù)

小莊煤礦4302 回風(fēng)順槽3 號(hào)煤層巷道斷面尺寸長(zhǎng)×寬=5.2 m×3.5 m，斷面面積18.2 m2。在煤層垂直方向上自上往下依次為老頂、直接頂、偽頂、直接底、老底，各煤層巖性情況見表1。

表1 煤層特征情況Table 1 Coal seam characteristics

1.2 水文地質(zhì)情況

依據(jù)鉆孔勘探資料顯示，工作面的水文地質(zhì)類型為中等[1]，影響4302 工作面掘進(jìn)的水文因素主要有地表水、第四系含水層水、頂板水、底板水、鉆孔水、斷層水、老空水、陷落柱水等。

從四采區(qū)膠輪車巷（西翼） 及周圍已開采煤層狀況分析，受層間滑動(dòng)構(gòu)造的影響，夾矸局部變厚，導(dǎo)致頂、幫破碎，該區(qū)域煤質(zhì)酥軟，頂板破碎，巷幫局部節(jié)理發(fā)育，容易造成局部片幫，根據(jù)三維地震勘探結(jié)果預(yù)測(cè)該掘進(jìn)區(qū)域煤層傾角1°～7°。

1.3 含水層突水系數(shù)

依據(jù)鉆水孔的勘測(cè)資料，4302 工作面奧灰水位標(biāo)高為+636—+638 m，該工作面巷道底板標(biāo)高為+500—+563 m，因此本工作面屬于帶壓采掘型的工作面。

查閱《煤礦防治水細(xì)則》及相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]，通過相關(guān)公式推導(dǎo)得到突水系數(shù)T：

式中：H 為奧灰?guī)r溶水壓標(biāo)高，m；h 為奧灰頂面標(biāo)高，m；ρ 為水的密度，kg/m3；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；H煤為煤層底板標(biāo)高，m。

由4302 工作面鉆孔柱狀圖可知，隔水層的總厚度為127.77 m，將以上各參數(shù)代入公式，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 煤層奧灰突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of ordovician limestone water coefficient in coal seam

2 巷道支護(hù)的布置

2.1 頂板離層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

在開采的過程中，為了連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)頂板不同層面的下沉量，需要在頂板上安裝頂板離層指示儀，主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1） 連續(xù)性可視化地觀察頂板下沉情況，監(jiān)測(cè)頂板失穩(wěn)現(xiàn)象，避免冒頂?shù)V難的發(fā)生。

（2） 記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析總結(jié)數(shù)據(jù)，作為優(yōu)化錨桿支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。4302 工作面使用機(jī)械式頂板離層指示儀，每間隔50 m 安裝1 組頂板離層儀，分別在頂板上7.8 m 和2.3 m 兩個(gè)基點(diǎn)位置鉆打φ29 mm 的安裝孔，如圖1 所示。

圖1 離層儀安裝示意Fig.1 Installation instructions of separator

2.2 巷道支護(hù)原則

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為保證巷道安全，利用錨桿的支護(hù)作用，提出以下支護(hù)設(shè)計(jì)原則。

（1） 一次性支護(hù)原則，為有效控制地應(yīng)力下圍巖的相對(duì)變形量，在節(jié)約成本和材料的前提下，錨桿的支護(hù)盡量一次滿足使用要求。

（2） 高預(yù)應(yīng)力原則，錨桿支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)是預(yù)應(yīng)力，若錨桿預(yù)應(yīng)力太低，則錨桿支護(hù)為被動(dòng)支護(hù)。應(yīng)提高錨桿的預(yù)應(yīng)力，使其變?yōu)橹鲃?dòng)支護(hù)。

（3） 三高一低原則，即錨桿高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性及低支護(hù)密度。為保護(hù)巷道的安全支護(hù)，提高開采效率，可提高錨桿強(qiáng)度和剛度，盡量減少錨桿的數(shù)量，做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用，降低支護(hù)成本。

2.3 錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)

2.3.1 錨桿的預(yù)應(yīng)力

錨桿預(yù)應(yīng)力是巷道支護(hù)的關(guān)鍵影響因素，若預(yù)應(yīng)力選擇較低，則錨桿上的附加應(yīng)力較低，不能形成連續(xù)的有效壓應(yīng)力區(qū)，使支護(hù)強(qiáng)度不夠，發(fā)生冒頂事故[5]；在盡量節(jié)約支護(hù)材料的前提下，若預(yù)應(yīng)力合適或稍高，則錨桿上的附加應(yīng)力較大，形成的壓應(yīng)力區(qū)連續(xù)覆蓋了整個(gè)頂板，錨桿支護(hù)安全系數(shù)就高，如圖2 所示。故預(yù)應(yīng)力選擇原則是：保證頂板不產(chǎn)生明顯離層和拉應(yīng)力現(xiàn)象，預(yù)應(yīng)力取值為錨桿屈服強(qiáng)度的40%～50%。

圖2 錨桿應(yīng)力云圖Fig.2 Bolt stress nephogram

2.3.2 錨桿長(zhǎng)度

錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)，雖然形成的有效壓應(yīng)力區(qū)域和厚度增加，支護(hù)范圍變大，但錨桿中上部的壓應(yīng)力和錨桿間圍巖的壓應(yīng)力均減小。若預(yù)應(yīng)力不變，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度越長(zhǎng)，預(yù)應(yīng)力的作用則越弱，致使巷道的支護(hù)性越差，因此為提高巷道支護(hù)預(yù)應(yīng)力，可適當(dāng)減小錨桿長(zhǎng)度[6]。錨桿長(zhǎng)度分別取1.6 ～2.6 m，應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 錨桿長(zhǎng)度變化的應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of bolt length variation

2.3.3 錨桿密度

在一定預(yù)應(yīng)力情況下，在錨桿周圍區(qū)域分布類似錐形的壓應(yīng)力區(qū)，且壓應(yīng)力在錨桿尾部最大，錨桿固定端的起始端次之，錨桿自由端中間部分較小，錨桿端部應(yīng)力基本為零和較小的拉應(yīng)力狀態(tài)[7]。若錨桿間距過大，則錨桿不能形成連續(xù)的錐形壓應(yīng)力區(qū)域，支護(hù)強(qiáng)度和安全性較差；若逐漸減小錨桿間距，則錨桿形成的錐形壓應(yīng)力區(qū)域逐漸靠攏、相互疊加，最終連成一體，支護(hù)強(qiáng)度和安全性較高；但當(dāng)錨桿密度增加到一定程度后，若再增加錨桿數(shù)量，則對(duì)形成連續(xù)有效的壓應(yīng)力區(qū)域影響較小，屬于巷道過應(yīng)力保護(hù)，浪費(fèi)了支護(hù)材料，應(yīng)力云圖如圖4 所示。

圖4 不同錨桿數(shù)量的應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of different bolt number

3 巷道支護(hù)的FLAC3D 模擬分析

為分析巷道端面應(yīng)力分布情況，根據(jù)4302 工作面的鉆水孔勘測(cè)結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，建立FLAC3D 模型[8]，使用差分法計(jì)算巷道應(yīng)力分布，當(dāng)頂板錨桿間距為950 mm，幫部錨桿間距1050 mm，分別取錨桿排距850、900、950 和1000 mm，巷道的應(yīng)力云圖如圖5、圖6 所示。

圖5 排距850 mm 時(shí)的巷道應(yīng)力云圖Fig.5 The stress nephogram of roadway with 850 mm row spacing

圖6 排距1000 mm 時(shí)的巷道的應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of roadway with row spacing of 1000 mm

當(dāng)錨桿排距從850 mm 增大到1000 mm 時(shí)，在頂板區(qū)域內(nèi)形成了壓應(yīng)力區(qū)，初始?jí)簯?yīng)力值為0.04 MPa，且隨著錨桿排距的減小，預(yù)應(yīng)力區(qū)域逐漸增大至0.06 MPa，但壓應(yīng)力區(qū)呈逐漸分離的趨勢(shì)。當(dāng)錨桿排距增大到1000 mm 時(shí)，壓應(yīng)力區(qū)僅在錨桿尾部有少部分相連，其余部分已完成分離。隨著錨桿排距的增大，兩幫也形成一定的壓應(yīng)力區(qū)，初始?jí)簯?yīng)力為0.02 MPa，且覆蓋整個(gè)支護(hù)區(qū)域，隨著錨桿排距的增加，壓應(yīng)力覆蓋的支護(hù)區(qū)域逐漸減小，當(dāng)錨桿排距為1000 mm 時(shí)，壓應(yīng)力值為0.01 MPa，且壓應(yīng)力區(qū)域已相互分離。綜上所述，巷道頂部和幫部的錨桿排距應(yīng)取1000 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

以小莊煤礦4302 工作面為研究對(duì)象，分析了巷道錨桿支護(hù)穩(wěn)定性的影響因素，通過FLAC3D 軟件模擬分析，在保證巷道支護(hù)安全性的前提下，優(yōu)化了錨桿的布置方式，盡量地減小了錨桿的數(shù)量，降低了巷道支護(hù)的成本，增加了煤礦效益，具有推廣意義。