基于自穩(wěn)平衡拱理論的巷道支護研究

侯增平

（陜西延長石油集團 橫山魏墻煤業(yè)有限責任公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

由于煤炭開采的需要，我國每年新掘約12 000 km 的井下巷道[1-2]。為確保巷道圍巖穩(wěn)定性及安全性，對巷道采取支護措施，以滿足礦井安全生產要求。目前，巷道多采用錨桿（索） 聯合支護，針對巷道的錨桿支護理論，學者們進行了大量研究，取得了諸多成果，為解決巷道支護難題做出了重大貢獻[3-5]。康紅普對巷道錨桿支護技術與理論、錨桿材料及應用情況進行了總結分析，并提出了未來巷道錨桿支護技術的研究與發(fā)展方向[6]；侯公羽等基于現有支護理論與技術，對巷道開挖后的力學結構展開分析，根據圍巖- 支護耦合對巷道圍巖應力與變形的作用機制，提出了巷道支護設計的方法[7]；姚強嶺等基于對巷道頂底板巖梁的力學分析，構建了疊加梁力學模型，提出了疊加梁的錨桿索支護理論[8]；司林坡等通過對錨桿不同位置施加軸向沖擊載荷實驗，對錨桿桿體力學響應特征展開研究[9]。目前，錨桿（索） 支護理論與技術已相對完善，但支護設計方面的研究稍顯不足。為確保巷道穩(wěn)定和安全生產，部分礦井支護強度較大，增加了生產成本，且影響掘進速度[10]。本文基于自穩(wěn)平衡拱理論對魏墻煤礦盤區(qū)巷道進行巷道支護參數優(yōu)化，以期在確保井下盤區(qū)大巷支護安全和滿足巷道服務年限的情況下，提高巷道支護效率及掘進工程進度。

1 工程背景

1.1 礦井概況

魏墻煤礦3 號煤層平均埋深364 m，煤層傾角1°，平均煤厚3.4 m。根據煤層賦存狀況及地質條件，三盤區(qū)巷道沿3 號煤層底板布置，共布置3 條巷道，每條巷道間隔40 m 煤柱，長度約4 700 m，巷道斷面為矩形，凈寬5 840 mm，凈高3 920 mm，煤層頂底板巖性如圖1 所示。

圖1 煤巖層柱狀圖Fig.1 Coal strata histogram

1.2 巷道原支護情況

（1） 頂板支護采用φ20 mm×2 250 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨固力50 kN；采用φ15.24 mm×7 300 mm 的鋼絞線錨索，錨索間排距1 600 mm×1 600 mm，預緊力120 kN。頂網采用φ6.5 mm×3 000 mm×900 mm的鋼筋網片。

（2） 幫部支護采用φ20 mm×2 250 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×800 mm，錨固力50 kN。網片采用φ6.5 mm×3 000 mm×900 mm的鋼筋網片，具體支護情況如圖2 所示。

圖2 巷道原支護情況Fig.2 Original support condition of roadway

2 基于自穩(wěn)平衡拱理論的支護參數計算

2.1 自穩(wěn)平衡拱理論

自穩(wěn)平衡拱理論是一種基于結構力學和巖石力學原理的支護設計理論，認為巷道開掘后圍巖穩(wěn)定性主要受拉應力影響，同圍巖的特性密切相關[11]。圍巖具備自承載能力并可實現自穩(wěn)定，錨桿通過制約圍巖位移變形對巷道圍巖起到支護作用。該理論通過合理布置支護結構形成自穩(wěn)的拱形結構，實現對巷道的穩(wěn)定支護。通過優(yōu)化支護參數，減少不必要的支護材料，可降低工程成本，同時能夠提供可靠的巷道穩(wěn)定性，預測巷道的變形和破壞情況，確保礦井的安全生產。該技術適用于多種地質條件和巷道尺寸，靈活調整支護參數和布置方案，可提高支護的適應性，提高礦井的生產效率。綜上所述，自穩(wěn)平衡拱理論在巷道支護設計中具有突出優(yōu)勢，為礦井提供了科學可行的支護方案。

2.2 巷道自穩(wěn)平衡拱高度的理論計算

通過以上對自穩(wěn)平衡拱理論的分析可知，采用該理論能夠解決礦井支護難題。因此，以拱中心為坐標原點，則自穩(wěn)平衡拱曲線方程為：

魏墻煤礦三盤區(qū)巷道頂板平均埋深324 m，巷道凈寬5 840 mm，凈高3 920 mm，上覆巖層平均容重24 kN/m，頂板平均巖石抗拉強度為3.16 MPa。將上述參數代入式（1）、式（2） 可得自穩(wěn)平衡拱最大距離為3.39 m，極限自穩(wěn)平衡拱最大距離為3.83 m。

2.3 錨索參數計算

2.3.1 錨索長度計算根據自穩(wěn)平衡拱理論可得錨索長度La為

式中：La1為錨索外露長度，取0.3 m；La2為錨索支護的有效長度，m，取極限自穩(wěn)平衡拱高度3.83 m；La3為錨索的錨固長度，m。

錨索的錨固長度可由式（5） 得到：

式中：N 為錨索預緊力，取170 kN；D 為錨索直徑，取15.24 mm；τ 錨桿粘結力，取10 N/mm2。

將上述相關參數代入計算可得，頂板錨索最小長度La為7.17 m。由于現場地質條件具有突變性，故設計長度取7 300 mm。

2.3.2 錨索間排距計算

根據自穩(wěn)平衡拱理論，錨索間排距可取極限自穩(wěn)拱高度的一半，約1.9 m，則單根錨索的支護范圍為3.61 m2，考慮巷道斷面及支護速度，錨索間距設計為1.8 m，排距為2 m。

2.4 錨桿參數計算

巷道未進行支護時，極限自穩(wěn)平衡拱至巷道頂部的最大距離為3.83 m。此時自穩(wěn)拱高度較大，采用錨桿支護效果較弱。采用錨索支護后，巷道自穩(wěn)拱減小。根據減跨理論可得巷道采用4 根錨索支護后，拱高縮減至未支護時的1/5，代入可得此時的自穩(wěn)拱最大范圍為0.77 m。

2.4.1 錨桿長度計算

根據自穩(wěn)平衡拱理論，錨桿長度應滿足：

式中：Lb1為錨桿外露長度，取0.1 m；Lb2為錨桿支護的有效長度，取極限自穩(wěn)平衡拱高度0.78 m；Lb3為錨索的錨固長度，取0.5 m。考慮錨桿型號，錨桿設計長度取1 800 mm。

2.4.2 錨桿間排距計算按照自穩(wěn)平衡拱理論，錨桿間排距應滿足

式中：ar為錨桿間排距，m；Lw為錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度，取0.5 m；a 為巷道的半跨度，m；b 為頂板巖層破壞深度，m。

根據現場地質情況及現場施工時錨桿孔揭露巖石情況，巷道半跨度為2.92 m，頂板巖石破壞高度約0.84 m。將礦井地質參數代入式（7） 可得錨桿間排距為1.2 m?？紤]到盤區(qū)大巷的服務時間，錨桿間排距設計為1 000 mm。

2.5 魏墻煤礦三盤區(qū)巷道支護參數設計

根據上述計算，魏墻煤礦三盤區(qū)巷道優(yōu)化后的支護參數如下。

（1） 頂板支護采用φ20 mm×1 800 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，錨固力50 kN；采用φ17.8 mm×7 300 mm 的鋼絞線錨索，間排距1 600 mm×2 000 mm，預緊力170 kN；頂網采用φ6.5 mm×6 000 mm×1 100 mm 的鋼筋網片。

（2） 幫部支護采用φ20 mm×1 800 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，錨固力50 kN，網片采用φ6.5 mm×3 000 mm×900 mm 的鋼筋網片，具體支護情況如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后巷道支護情況Fig.3 Roadway support after optimization

3 巷道支護效果分析

3.1 數值模擬結果分析

以魏墻煤礦三盤區(qū)巷道為參照對象，采用FLAC3D 對優(yōu)化后的巷道支護參數進行驗證，模型 采用的煤巖力學參數見表1。

表1 煤巖力學參數Table 1 Mechanics parameter of coal and rock

3.1.1 垂直位移結果分析

根據以上煤巖力學性質，建立數值模擬模型實驗，圖4 為兩種支護方案的巷道垂直位移，方案一為原支護方案，方案二為優(yōu)化后的巷道支護方案。由數值模擬位移云圖可知，方案一的頂板最大位移為4.4 mm，底板最大突起量為4.5 mm；方案二的頂板最大位移為4.7 mm，底板最大突起量為4.8 mm；較原支護方案稍有增加，但位移范圍及自穩(wěn)拱高有所減小。

圖4 垂直位移云圖Fig.4 Vertical displacement cloud diagram

3.1.2 垂直應力結果分析

由圖5 兩種支護方案的巷道垂直應力可知，方案一的兩幫峰值應力出現在幫部3.24 m 處，最大應力為10.66 MPa；方案二的兩幫峰值應力位置縮減至1.64 m，應力峰值增加至11.56 MPa，應力向巷道集中，影響范圍縮減。

圖5 垂直應力云圖Fig.5 Vertical stress cloud diagram

綜上所述，采用優(yōu)化支護方案后，巷道最大垂直位移及最大應力均有少許增加，巷道開掘后的影響范圍明顯減小，巷道穩(wěn)定性未出現明顯降低，滿足礦井安全生產要求。

3.2 現場應用效果分析

在巷道掘進支護后，在巷道中以十字布點法安設測站，對巷道位移進行監(jiān)測。巷道位移測站隨著巷道掘進向前布置，每組測站間隔50 m，共計4個測站。巷道變形穩(wěn)定前，每天觀測1 次，穩(wěn)定后每周2～3 次，監(jiān)測結果如圖6 所示。

圖6 現場監(jiān)測巷道平均位移Fig.6 On-site monitoring of the average displacement of roadway

根據現場監(jiān)測情況，巷道掘進支護30 d 后圍巖變形保持穩(wěn)定，不再出現明顯增加。支護后的巷道頂板最大移近量為23.8 mm，兩幫最大移近量約30.1 mm，滿足礦井安全生產要求。

3.3 材料消耗及經濟效益分析

優(yōu)化后的支護方案較原方案縮減了錨桿長度及支護密度，同時增大了錨索的排距，在一定程度上減少了支護材料消耗，兩種支護方案所用材料見表2。

表2 支護材料消耗Table 2 Support material consumption

由表2 可知，方案二較方案一平均每米節(jié)省7.25 根錨桿和0.5 根錨索及其對應的錨桿支護材料，每條盤區(qū)巷道自里程700 m 開始使用優(yōu)化后支護參數，總計縮減了29 000 根錨桿、2 000 根錨索及其對應的托盤、錨固劑等材料，且減少了鉆孔數目，極大程度上減小了工程材料消耗及生產成本，提高了巷道掘進工程進度。

4 結 論

（1） 基于自穩(wěn)平衡拱理論對魏墻煤礦三盤區(qū)巷道進行支護參數計算，提出了錨桿索的巷道支護設計方案。

（2） 采用數值模擬對兩種支護方案下的巷道穩(wěn)定性進行檢驗，新的支護方案明顯降低了自穩(wěn)平衡拱的高度，巷道未失穩(wěn)，滿足礦井安全生產。

（3） 優(yōu)化后的支護方案較原方案總計縮減了29 000 根錨桿、2 000 根錨索及其對應的托盤、錨固劑等材料，降低了生產成本，提高了巷道掘進及支護的工程速度。