九龍礦15249N 運(yùn)煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬研究

史澤坡 楊永遷 劉 帥

（1.冀中能源峰峰集團(tuán)寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦，河北 邯鄲 056200；2.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056107）

1 概況

九龍礦15249N 工作面位于北三采區(qū)下部，工作面標(biāo)高為-800 m 左右。15249N 運(yùn)煤巷總工程量為850 m，沿著2#煤頂板掘進(jìn)，2#煤厚2.0～6.0 m，均厚5.7 m，傾角約19°。巷道呈斜矩形，巷道寬4.8 m，左幫2.8 m，右?guī)?.3 m。頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤巖層情況表

2 支護(hù)參數(shù)計(jì)算及方案確定[1-6]

2.1 巷道支護(hù)參數(shù)計(jì)算

本文基于懸吊作用理論進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

2.1.1 錨桿支護(hù)參數(shù)

錨桿的長度L按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：L1為錨桿外露長度，m；L2為錨桿有效長度，m；L3為錨桿錨固長度，m。

錨桿的外露長度L1的計(jì)算公式為L1=墊板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03），本次取L1為0.15 m。

頂板錨桿有效長度L2按照下式進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)f≥2 時(shí)，L2=B/2f（2）

當(dāng)f≤2 時(shí)，L2=1/f[B/2+Hcot（45°+φ/2）]（3）

式（2）與（3）中：f為圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)；B為巷道跨度，m；H為巷道掘進(jìn)高度，m；φ為圍巖的內(nèi)摩擦角，（°）。

實(shí)測(cè)頂板巖體的堅(jiān)固性系數(shù)為5，大于2，因此，采用式（2）確定L2=B/2f=0.48 m。

兩幫煤體的錨桿有效長度L2按照下式計(jì)算：

式中：各符號(hào)的物理意義同式（2）。

實(shí)測(cè)兩幫煤體的堅(jiān)固性系數(shù)為1，因此：

L2=1.32 m。

錨桿錨固長度L3一般取0.9～1.3 m。

因此，頂錨桿長度為L=L1+L2+L3=0.15 m+0.48m+1.2 m=1.83 m，取2.4 m。幫錨桿長度為L=L1+L2+L3=0.15 m+1.32 m+0.9 m=2.37 m，取2.4 m。

考慮實(shí)際施工工藝的情況，錨桿間排距通常取等間距，同時(shí)應(yīng)滿足D≤0.5L=0.5× 2.4 m=1.2 m。為安全起見，取頂錨桿間距0.75 m，排距0.8 m，幫錨桿間排距取0.8 m×0.8 m。

錨桿直徑根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，取20 mm?？拷锏缼徒堑捻敳垮^桿安設(shè)角度與垂線成15°。

2.1.2 錨索支護(hù)參數(shù)

錨索的長度按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：X1為錨索外露長度，0.2 m，X2為隱性不穩(wěn)定巖層高度，3.5 m，X3為錨索錨固長度，1.7 m。

因此，錨索長度為X=5.4 m，取6.2 m。

錨索間排距的確定需要參考巷道開挖中一個(gè)步距內(nèi)的長度范圍錨索支護(hù)巖層發(fā)生冒落的重力Q，按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：S為巷道寬度，取4.8 m；L為冒落巷道長度，通常取一個(gè)步距1.6 m；H為冒落頂板厚度，取3.5 m；P為巖層密度，取2.6 t/m3；R為冒落系數(shù)，取1。Q=4.8 m×1.6 m×3.5 m×2.6 t/m3×1×9.8=685 kN

一個(gè)開挖步距內(nèi)巷道所的錨索根數(shù)N：

式中：Q為冒落重力，取685 kN；Q錨索為所選錨索破斷力，取583 kN；K為安全系數(shù)，取2。

則N=685 kN÷583 kN×2=2.35 根，取3 根。

則每根錨索所需錨固力Q錨固=Q÷N=685 kN÷3=228.3 kN。

單根錨索所需錨固力Q錨固小于錨索的破斷力583 kN，同時(shí)也小于錨索的設(shè)計(jì)錨固力260 kN，滿足安全支護(hù)的要求。

根據(jù)以上計(jì)算，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為安全起見，一個(gè)步距1.6 m 巷道頂板支護(hù)所需錨索根數(shù)取4 根，錨索間距取1 m，排距取1.6 m。

2.2 支護(hù)方案確定

2#煤頂板直接頂為砂質(zhì)泥巖，屬較穩(wěn)定巖層，適合錨網(wǎng)支護(hù)。為了將錨桿加固的“組合梁”懸吊于基本頂穩(wěn)定巖層中，需要高強(qiáng)錨索做輔助支護(hù)。根據(jù)鄰近工作面巷道礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)及支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確定斜矩形斷面，采用錨桿+梯子梁+鋼帶+錨索+塑料網(wǎng)+鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。支護(hù)斷面如圖1。

圖1 支護(hù)斷面圖（mm）

頂板支護(hù)參數(shù)：頂錨桿長度2400 mm、直徑20 mm，錨固長度不小于1000 mm，間排距800 mm×800 mm。頂錨索長度6200 mm、直徑21.8 mm，間排距1000 mm×1600 mm。

兩幫支護(hù)參數(shù)：幫錨桿長度2400 mm、直徑20 mm，錨固長度不小于1000 mm，間排距800 mm×800 mm。右?guī)透叨却笥?000 mm 時(shí)，布置兩排幫錨索平行于巷道走向分別打設(shè)于二、三排和第三、四排幫錨桿之間，幫錨索長度6200 mm、直徑21.6 mm，間排距800 mm×1500 mm。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

本文所用模型整體長50 m，寬20 m，高65 m，巷道位于模型中央，寬5 m，左幫高2.8 m，右?guī)透?.3 m，進(jìn)深20 m。將模型前后左右和下面邊界固定不動(dòng)，模型頂部施加17.7 MPa 均布荷載。模型如圖2。

圖2 模型圖

3.2 豎向位移分析

圖3（a）和（b）分別為19249N 上順槽無支護(hù)和采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后的豎向位移。對(duì)比無支護(hù)開挖巷道可知，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)開挖后，頂板位移量由9.9 cm 下降到7.8 cm，下降了21%，由此可見頂板得到有效控制。

圖3 豎向位移云圖

3.3 橫向位移分析

圖4（a）和（b）分別為巷道無支護(hù)和采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后的橫向位移云圖。結(jié)果表明，無支護(hù)開挖時(shí)，兩幫橫向位移量達(dá)到66 cm，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后，兩幫位移量減小到43 cm，巷道兩幫收斂量達(dá)到了34%，兩幫支護(hù)效果明顯。

圖4 橫向位移云圖

3.4 塑性區(qū)分析

圖5（a）和（b）分別為巷道無支護(hù)和采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后的塑性區(qū)。通過對(duì)比可以明顯地發(fā)現(xiàn)，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后，巷道圍巖塑性區(qū)得到有效減小，說明了圍巖得到有效控制，提高圍巖的穩(wěn)定性。

圖5 塑性區(qū)

4 結(jié)論

1）根據(jù)15249N 運(yùn)煤巷參數(shù)，確定采用錨桿+梯子梁+鋼帶+錨索+塑料網(wǎng)+鋼筋網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。頂板采用Ф20 mm×2400 mm 錨桿，間排距800 mm×800 mm，采用Ф21.8 mm×6200 mm 錨索，間排距1200 mm×1600 mm；兩幫采用Ф20 mm×2400 mm 錨桿，間排距800 mm×800 mm，右?guī)筒捎莽?1.6 mm×4000 mm 錨索，平行巷道走向布置兩排，間排距800 mm×1500 mm。

2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，對(duì)比無支護(hù)情況，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后，15249N 上順槽巷道豎向位移量、橫向位移量減小了21%和34%，巷道圍巖塑性區(qū)減小明顯，圍巖能得到有效控制。