龍王溝煤礦復(fù)合頂板巷道錨網(wǎng)索支護技術(shù)研究

文/李 剛

復(fù)合頂板巷道圍巖支護是巷道支護的難點。鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司龍王溝煤礦61607主運順槽巷道頂板為復(fù)合頂板，巷道頂板易冒頂，控制難度較大。為解決此難題，龍王溝煤礦采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，探究復(fù)合頂板矩形巷道的支護技術(shù)，通過采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護技術(shù)方案，有效控制了復(fù)合頂板矩形巷道的變形破壞，保證了巷道的長期穩(wěn)定。

一、工程概況

61607主運順槽巷道老頂為粗砂巖，平均厚度約為9.46m，巖性為灰白色及雜色，塊狀，粗（細）粒砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英為主；老頂粗砂巖下部為6上煤層，平均厚度約為1.18m，煤層較穩(wěn)定；6上煤層下部為直接頂泥巖，平均厚度約為10.56m，巖性為深灰色、質(zhì)軟、塊狀，平坦狀斷口，見滑面；直接頂泥巖下部為6#煤層，平均厚度為21.9m，為較穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；6#煤層下部老底為粗砂巖，平均厚度為6.4m，巖性為灰白色，粗粒結(jié)構(gòu)，成分以石英、長石為主。

二、錨網(wǎng)索聯(lián)合支護作用機理

在巷道開挖初期，圍巖自身整體性較好，通過錨桿的加固作用，錨巖支護體的承載能力較高，圍巖在一定變形范圍內(nèi)可以保持自身的穩(wěn)定。隨著圍巖變形的增大，錨巖支護體的承載能力和自穩(wěn)性降低，同時圍巖集中應(yīng)力移向深部，圍巖變形趨于穩(wěn)定。在錨巖支護體失穩(wěn)前，再通過錨索的懸吊作用，保持錨巖支護體和圍巖的穩(wěn)定。錨桿和錨索各自發(fā)揮了自身的優(yōu)勢，互相取長補短，從而大大改善了錨桿支護的整體支護性能，達到控制圍巖大變形的目的。

金屬網(wǎng)可支撐非錨固區(qū)域的破碎巖碎塊，防止發(fā)生塌落，在非錨定巖層之間傳遞荷載，使錨桿由單點支撐轉(zhuǎn)化為多個錨桿形成的系統(tǒng)支護，可有效降低局部支護強度減小造成的巷道整體不穩(wěn)定性。金屬網(wǎng)的柔韌性使其能更好地適應(yīng)圍巖的變形破壞，其剛度又可以改善巷道圍巖的應(yīng)力條件，為圍巖提供支撐反作用力。工程實踐表明，金屬網(wǎng)在動壓巷道中起著至關(guān)重要的作用，特別是在穩(wěn)定性較差的巷道中，金屬網(wǎng)與錨桿的聯(lián)合使用可以更好地控制巷道圍巖的變形。

三、支護參數(shù)理論計算

1.錨桿直徑的確定

錨桿直徑計算公式：

式中： d—錨桿直徑，mm；

Q—錨桿錨固力，取值為150kN；

經(jīng)計算可得

綜合考慮6#煤層沿空巷道沿煤層底板掘進，煤層較厚且存在夾矸，為使錨桿的支護效果及成本達到最佳，頂板采用Φ22mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，兩幫采用Φ20mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，能夠滿足高錨固力，達到材料節(jié)約、施工方便的要求。

2.錨桿長度的確定

計算公式：

式中： L—錨桿長度，m；

K—安全系數(shù)，取2.8；

L1—錨桿外露長度，一般取值為0.1m；

L2—錨桿插入穩(wěn)定巖層的長度，取值為0.6m；

H—自然平衡拱的高度，取0.6m，

將各參數(shù)代入上式可得L=2.38m，所以錨桿長度取值為2.4m。

根據(jù)工程類比法，結(jié)合錨桿錨索支護參數(shù)和實際維護狀況，考慮一定的安全系數(shù)，頂板錨桿間排距采用800mm×900mm，兩幫錨桿間排距采用900mm×900mm。

3.錨索支護參數(shù)的確定

根據(jù)6#煤層地質(zhì)條件、頂?shù)装鍘r性，以及平均厚度為21.9m的實際情況，考慮錨索的強度校核條件、安全性、經(jīng)濟型，最終確定錨索規(guī)格為：直徑為21.6mm，長度為8.3m。

根據(jù)工程類比法，結(jié)合錨桿錨索支護參數(shù)和實際維護狀況，確定頂板錨索間排距為1200mm×1800mm，煤柱幫錨索間排距為1600mm×1800mm。

4.其他支護材料參數(shù)確定

頂網(wǎng)、幫網(wǎng)網(wǎng)片采取2700mm×1100mm的金屬網(wǎng)。W鋼帶的寬度為280mm，長度分別為2000mm、4000mm、5200mm。錨桿托盤使用150mm×150mm×10mm的鼓形托盤。錨索托盤使用300mm×300mm×16mm的鼓形托盤。

5.支護技術(shù)方案

頂板錨桿采用φ22×2400mm的螺紋鋼錨桿進行支護，錨桿排距為900mm，間距為800mm。錨索采用φ21.6×8300mm的高強度低預(yù)應(yīng)力補強錨索，間距為1200mm，排距為1800mm。兩幫錨桿采用φ20×2400mm的螺紋鋼錨桿進行支護，間距為9000mm，排距為900mm。

頂板、兩幫鋪設(shè)長×寬=2700mm×1100mm的六邊形金屬網(wǎng)，鋪好后必須及時聯(lián)網(wǎng)，鋪網(wǎng)時要求網(wǎng)與網(wǎng)搭接，搭接寬度為5 0 m m。錨桿托盤使用150mm×150mm×10mm的鼓形托盤。錨索托盤使用300mm×300mm×16mm的鼓形托盤。

四、數(shù)值模擬研究

1.模擬方案

以61607工作面主運順槽為研究對象，參照煤巖層物理力學(xué)參數(shù)，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立三維數(shù)值計算模型，模型尺寸為：長×寬×高=30m×35m×1m，計算采用莫爾—庫倫屈服準則，模型左右、前后、下邊界均為固定約束，上表面為自由約束。

2.模擬結(jié)果

巷道進行錨網(wǎng)索聯(lián)合支護后，可以計算出垂直位移、垂直應(yīng)力，得到巷道垂向位移云圖和水平位移云圖。

由巷道垂向位移云圖可知，在頂板中部出現(xiàn)最大下沉，下沉量為389mm。在頂板錨桿和錨索作用的徑向拉伸作用下，頂板拉應(yīng)力區(qū)域較少，主要發(fā)生剪切破壞，巷道兩幫的垂向應(yīng)力集中區(qū)與巷道表面的距離為3.89～6.28m，最大垂向應(yīng)力為27.1MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.71。

由巷道水平位移云圖可知，巷道兩幫的最大位移量為228mm，位于兩幫的中部區(qū)域，巷道兩幫中部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力范圍和拉應(yīng)力值均較小，兩幫沒有發(fā)生拉伸破壞，發(fā)生剪切破壞。

五、礦壓監(jiān)測

采用十字布點法安設(shè)表面位移監(jiān)測斷面。在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@φ29mm、深380mm的孔，將Φ29mm、長400mm的木樁打入孔中。頂板和上幫木樁端部安設(shè)彎形測釘，底板和下幫木樁端部安設(shè)平頭測釘。用測槍、測桿或鋼卷尺進行測量，測量精度要求達到1mm。對61607工作面主運順槽頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r表面變形進行觀測，圍巖變形曲線如圖1所示。

圖1 圍巖變形曲線圖

由圖1可看出，圍巖變形量隨著主運順槽的掘進一直增加，當距離掘進工作面145m以后，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄冃瘟糠€(wěn)定在238.4mm，兩幫變形量穩(wěn)定在201.5mm，表明采用錨網(wǎng)索支護技術(shù)后，可有效地控制復(fù)合頂板巷道的變形破壞。

六、結(jié)語

（1）為解決龍王溝煤礦61607主運順槽復(fù)合頂板矩形巷道易冒頂垮落、難支護等問題，基于錨網(wǎng)索聯(lián)合支護理論，提出錨網(wǎng)索聯(lián)合支護技術(shù)方案。通過理論計算，確定了主要支護技術(shù)參數(shù)。

（2）通過數(shù)值模擬驗證了支護技術(shù)的有效性，同時通過現(xiàn)場工業(yè)實踐表明：采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方案后，頂?shù)装遄畲笞冃瘟考s為238.4mm，兩幫最大變形量約為201.5mm，表明該技術(shù)方案切實可行，實現(xiàn)了對復(fù)合頂板巷道圍巖變形的有效控制。