快速掘進(jìn)巷道錨桿支護(hù)技術(shù)優(yōu)化分析

潘 翔

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

現(xiàn)在，在掘進(jìn)半煤巖的下山巷道而言，有下面一些問題存在于其中：①所形成的巷道是比較差的，會(huì)有嚴(yán)重的超欠挖與破壞發(fā)生在圍巖中，而且在掘進(jìn)巖層中，比較顯著的是破碎的、松軟的，這就導(dǎo)致有不少的支護(hù)材料被浪費(fèi)掉，當(dāng)迎頭操作時(shí)，安全性不高。②在掘進(jìn)半煤巖的巷道時(shí)，速度是非常緩慢的，對(duì)以后工程的安排和施工有非常大的影響。③因?yàn)橄律接幸欢ǖ慕嵌?，所以在運(yùn)輸裝巖時(shí)會(huì)有比較大的難度。④在循環(huán)時(shí)間內(nèi)，治理涌水所用的時(shí)間也占有一定的比例，對(duì)掘進(jìn)巷道的速度有一定的影響，而且?guī)r石因?yàn)樗能浕档蛶r層的穩(wěn)定性，支護(hù)巷道的難度增大。而且，由于煤層所選取運(yùn)輸方法是分裝分運(yùn)，循環(huán)組織所具有的復(fù)雜性非常高，并且該組織是正規(guī)的，比較低的平行作業(yè)水平[1]。所以，研究掘進(jìn)錨桿支護(hù)的主要參數(shù)的意義非常深遠(yuǎn)。

1 建立數(shù)值模擬的模型

當(dāng)進(jìn)行建模時(shí)，把馬道頭煤業(yè)工程的施工現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)作案例，在加密靠近巷道的全部網(wǎng)格，由于有不少的加密的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，所以對(duì)應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)位移的計(jì)算的精準(zhǔn)性就越高。而且，由于受限于計(jì)算能力，若把所有的網(wǎng)格進(jìn)行加密，就會(huì)延長(zhǎng)計(jì)算所用的時(shí)間，那么計(jì)算邊界處的最終結(jié)果就一點(diǎn)意義也沒有了。在對(duì)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其長(zhǎng)、寬、高對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)是5m、60m、60m，y軸與巷道軸為同一方向[2]。節(jié)點(diǎn)與單元體構(gòu)成了數(shù)值模擬模型，其對(duì)應(yīng)的數(shù)量分別是23766、19200，圖1 就是數(shù)值模擬模型。

圖1 數(shù)值模擬模型

2 設(shè)計(jì)數(shù)值模擬原支護(hù)方案

在巷道中，原支護(hù)方案所選取的是U型鋼帶+錨索網(wǎng)，所使用的錨桿是強(qiáng)樹脂的、全螺紋的、其規(guī)格是D22mm×2200mm，1排就有12根錨桿，把6根打設(shè)到頂板中，還要6根分別打設(shè)在兩幫，排與排之間的距離是800mm×1000mm，把首根錨桿打設(shè)到頂幫中，而且錨桿與頂?shù)木嚯x有700mm，二者在上傾所成的角度是15°；所使用的錨索的具體規(guī)格是15.24mm×5500mm，1排就有2根錨索，排與排的距離是2000mm×2000mm。在U型鋼帶中，面向外面的是凹面，和金屬網(wǎng)緊挨的是平面[3]。

運(yùn)算與模擬巷道的原支護(hù)方案，而且還分析了該結(jié)果，圖2就是圍巖應(yīng)力云圖。

在圖2a內(nèi)能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼帶與錨索網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)時(shí)，以水平方向的線當(dāng)作中心，頂板在水平方向的應(yīng)力的分布對(duì)稱不完全，以垂直方向當(dāng)作中心，兩幫在水平方向的應(yīng)力的分布對(duì)稱幾乎是完全的。所以，在開始挖掘巷道之后，頂板與頂板由于破壞而導(dǎo)致不同程度的變形，而右?guī)团c左幫由于破壞而導(dǎo)致幾乎相同程度的變形。并且有應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置是和巷道的中心距離12.6m的位置，其峰值是36.6MPa。和巷道的中心線有14.4m距離處出現(xiàn)了底板在水平方向的應(yīng)力的值中的最大的值，其值是40.8MPa，而且應(yīng)力變化是小—大—小，然后在逐漸走向穩(wěn)定[4]。

3 分析與模擬新支護(hù)方案

3.1 簡(jiǎn)述新支護(hù)方案

在把該礦之前的原支護(hù)方案中的不足進(jìn)行分析之后，并把原支護(hù)中的全部參數(shù)當(dāng)作參考，進(jìn)而把新支護(hù)方案提出來(lái)，并選用下面幾類新方案來(lái)比較其技術(shù)經(jīng)濟(jì)與分析數(shù)值模擬，把最適宜的方案選出來(lái)。

A方案:使用的是底板錨索+錨索網(wǎng)。把錨索與錨桿打設(shè)到頂板中，把錨桿打設(shè)到幫部，把錨索打設(shè)到底板。相鄰排的錨桿之間距離是800mm×1000mm，相鄰排的錨索之間的距離是2000mm×2000mm。

B 方案:使用的是底板錨索+鋼帶+錨索網(wǎng)。把錨索與錨桿打設(shè)到頂板，錨桿打設(shè)到幫部，錨索打設(shè)到底板，而且鋼帶的形狀是W 型的。相鄰排的錨桿之間距離是800mm×1000mm，相鄰排的錨索之間的距離是2000mm×2000mm。

C 方案:使用的是底板注漿+鋼帶+錨索網(wǎng)。把錨索與錨桿打設(shè)到頂板，把錨桿打設(shè)到幫部，把漿注入到底板的淺孔處，其深度是2.5m，而且鋼帶的形狀是W型的。相鄰排的錨桿之間距離是800mm×1000mm，相鄰排的錨索之間的距離是2000mm×2000mm。

D方案:使用的是錨索注漿+底板注漿+鋼帶+錨索網(wǎng)。把錨索與錨桿打設(shè)到頂板，把錨桿打設(shè)到幫部，把漿注入到底板中的淺孔中，把錨索打設(shè)到底板，而且該底板的注漿位置是中空，鋼帶的形狀是W 型。相鄰排的錨桿之間距離是800mm×1000mm，相鄰排的錨索之間的距離是2000mm×2000mm。相鄰排的底板注漿之間的距離是2000mm×3000mm，其深度是2.5m，相鄰排的其中空注漿之間的距離是2000mm×3000mm，在布置這兩種孔的形式是交錯(cuò)[5]。

3.2 模擬分析新支護(hù)方案的水平應(yīng)力

圖3就是4種支護(hù)方案的頂?shù)装逅綉?yīng)力圖，在圖3中能夠發(fā)現(xiàn)，巷道頂板與底板的圍巖在這4種支護(hù)方案中的應(yīng)力在水平方向所發(fā)生的改變。A方案與原支護(hù)方案，B、C、D 方案的應(yīng)力曲線與頂板的個(gè)別部位的不同，這是由于當(dāng)支護(hù)頂板使用A 方案與原支護(hù)方案后個(gè)別的巖體依然不是完整的。圖的右邊與左邊分別是頂板、底板在水平方向的應(yīng)力曲線[6]。而且二者的應(yīng)力走向均為快速上升在慢慢下降，然后在逐漸走向平穩(wěn)，最后使原巖的應(yīng)力得到恢復(fù)。

圖3 4種支護(hù)方案的頂?shù)装逅綉?yīng)力圖

A方案:使用的是底板錨索+錨索網(wǎng)。把原支護(hù)和A方案進(jìn)行比較，A方案中在水平方向頂板與底板的應(yīng)力的峰值和巷道中心的距離最小，降低了巷道形變的區(qū)域。

B 方案:使用的是底板錨索+鋼帶+錨索網(wǎng)。在B方案中，底板應(yīng)力的最大值所在的位置是10.96m，其應(yīng)力值高達(dá)40.7MPa，可原支護(hù)應(yīng)力的最大值所在的位置是14.4m，其應(yīng)力值高達(dá)40.8MPa，在A方案中，其應(yīng)力的最大值所在位置是12.6m，其應(yīng)力值高達(dá)40.3MPa。二者相比較而言，在B 方案中，其應(yīng)力峰值的點(diǎn)和巷道中心的距離最小，塑性變形的區(qū)域最小，具有較好的支護(hù)成效，在使用B 方案時(shí)，存在于頂板、底板的巖體中的個(gè)別破碎不存在。

C 方案:使用的是底板注漿+鋼帶+錨索網(wǎng)。當(dāng)使用C 方案時(shí)，頂板與底板在水平的應(yīng)力是較為規(guī)律地分布著，曲線基本上沒有太大的波動(dòng)，底板所具有的巖性不會(huì)由于注漿而發(fā)生變化，對(duì)底鼓進(jìn)行治理，能夠使底板更加穩(wěn)定。在C 方案中，底板與頂板在水平方向的應(yīng)力的最大值所在的位置是與巷道中心有7.6m、6.9m，其應(yīng)力最大值分別高達(dá)40.9MPa、44.5MPa，大幅度降低了圍巖塑性改變區(qū)域，有較為理想的支護(hù)成效。

D方案:使用的是錨索注漿+底板注漿+鋼帶+錨索網(wǎng)。當(dāng)使用D 方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，對(duì)頂?shù)装逅植嫉乃綉?yīng)力的規(guī)律進(jìn)行分析，巷道具有較好的穩(wěn)定性。頂板與底板在水平方向的應(yīng)力最大所在的位置分別是3.7m、4.6m,其相應(yīng)的應(yīng)力高達(dá)40.3MPa、42.1MPa，其塑性改變區(qū)域和A、B、C 方案相比較，該方案的要小。在該方案中，巖體所具有的性質(zhì)會(huì)由于注漿而發(fā)生改變，把巖體所具有的能力中的自承能力完全發(fā)揮出來(lái)，把錨固體的錨固力增強(qiáng)。支護(hù)成效在該方案中還是較為理想的[7]。

圖4 就是4 種支護(hù)方案的兩幫水平應(yīng)力圖。從圖中能夠看出，以巷道中心為中心點(diǎn)，巷道兩幫在水平方向的應(yīng)力的分布是完全對(duì)稱的，而且兩幫在水平方向的應(yīng)力走向均為先迅速上升再慢慢下降，然后再逐漸走向平穩(wěn)，最終使原巖的應(yīng)力得到恢復(fù)。由于支護(hù)方案不同，所以應(yīng)力會(huì)有不同的增長(zhǎng)速度，A方案與原支護(hù)在未到達(dá)峰值時(shí)應(yīng)力是緩慢增長(zhǎng)的，沒有較好的支護(hù)成效?？墒鞘Ｓ?種支護(hù)方案在巖體未到達(dá)峰值時(shí)應(yīng)力是快速增長(zhǎng)，具有較好的支護(hù)成效。

圖4 4種支護(hù)方案的兩幫水平應(yīng)力圖

A方案:使用的是底板錨索+錨索網(wǎng)。把原支護(hù)與A方案進(jìn)行比較，A方案的支護(hù)成效要好于原支護(hù)，左幫與右?guī)偷淖畲髴?yīng)力值沒有太大差別，而且應(yīng)力峰值和巷道中心二者之間的距離沒有太大差異。

B 方案:使用的是底板錨索+鋼帶+錨索網(wǎng)。當(dāng)使用B 方案進(jìn)行支護(hù)時(shí)，左幫與右?guī)驮谒椒较虻淖畲髴?yīng)力值所在的位置分別是12.2m、12.3m，其相應(yīng)的最大應(yīng)力值高達(dá)25.8MPa、26.5MPa。

C 方案:使用的是底板注漿+鋼帶+錨索網(wǎng)。經(jīng)過把漿液注入到底板，左幫與右?guī)退綉?yīng)力的峰值和巷道中心的距離分別有9.8m、9.9m，其相應(yīng)的峰值為24.7MPa、24.6MPa。

D方案:使用的是錨索注漿+底板注漿+鋼帶+錨索網(wǎng)。在圖4 中能夠看出，D 方案的支護(hù)成效，和之前幾種支護(hù)進(jìn)行比較，D 方案的圍巖在水平方向的應(yīng)力逐漸恢復(fù)成原巖應(yīng)力所用的時(shí)間最短，而且圍巖最深位置應(yīng)力峰值與巷道中心的距離最小，兩幫發(fā)生塑性改變的區(qū)域是最小的，整個(gè)巷道是最穩(wěn)定的。左幫與右?guī)驮谒椒较虻淖畲髴?yīng)力值所在的位置分別是7.5m、7.6m，其相應(yīng)的最大應(yīng)力值高達(dá)28MPa、28.1MPa。巖體所具有的強(qiáng)度由于注漿而發(fā)生改變，使錨索的錨固力增加，使整個(gè)巷道更加穩(wěn)定。

3.3 選取最佳的支護(hù)方案

當(dāng)支護(hù)使用D方案時(shí)，控制圍巖的效果最佳，確保了掘進(jìn)巷道之后和進(jìn)行回采時(shí)的工人的人身安全與穩(wěn)定性。而且從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)說，盡管在D 方案使用的初期會(huì)投入比較多的資金，可是以后的維護(hù)費(fèi)用并不多，不管在安全方面還是在經(jīng)濟(jì)方面來(lái)說，選擇使用D 方案合理性最佳。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）和巷道中心的距離越大，那么應(yīng)力會(huì)慢慢恢復(fù)成原應(yīng)力，巷道中心越遠(yuǎn)位移就越小，最后一直減小至零；

（2）當(dāng)巷道使用原支護(hù)方案時(shí)，因?yàn)椴恢卫淼装?，所以整個(gè)巷道所具有穩(wěn)定性不高，變形量也不小，沒有較好的支護(hù)成效；

（3）當(dāng)把4 種新方案提出來(lái)之后，因?yàn)橐阎卫淼装蹇紤]進(jìn)來(lái)，所以會(huì)有較好的支護(hù)成效，最理想的支護(hù)成效就是D方案，巷道的變形量與位移量均不大。