范世錦，王 亮

(1.呂梁市煤礦通風(fēng)與瓦斯防治中心，山西 離石 033000；2.北京高卓東升科技有限公司，北京 100083)

1 理論基礎(chǔ)

本文在分析金家莊煤礦4#煤層11盤區(qū)大巷錨桿支護參數(shù)選定時，主要依據(jù)是中國礦業(yè)大學(xué)侯朝炯教授提出的煤礦巷道圍巖錨桿強度強化理論[1]。其具體的內(nèi)容主要包括以下幾個方面：

1)錨桿和圍巖是相互作用的統(tǒng)一體，應(yīng)將錨固體看作統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)來分析。

2)錨桿支護能改善不同破裂及變形狀態(tài)下的巖體(包括破碎區(qū)、塑性軟化區(qū)及彈性區(qū))的力學(xué)參數(shù)，相應(yīng)提高錨固區(qū)內(nèi)巖體的峰值強度、峰后強度及殘余強度。

3)錨固體破壞前后的力學(xué)性都較破裂巖體有所改善，因而發(fā)生較大變形后，錨固體仍起作用。

4)錨桿支護增加圍壓，改善巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，而軟弱破碎巖石強度對圍壓值十分敏感，在低圍壓狀態(tài)下隨圍壓增加強度直線上升。

5)錨桿支護通過抑制圍巖破碎區(qū)及塑性區(qū)的發(fā)展，從而控制了巷道圍巖的最終變形和破壞。

2 4#煤巷道圍巖地質(zhì)條件

金家莊煤礦11盤區(qū)皮帶大巷、軌道大巷與回風(fēng)大巷三條大巷均位于3#煤層110302工作面采空區(qū)下，大巷斷面尺寸為4m×3m，4#煤層與3#煤層的層間距約7m左右。

11盤區(qū)大巷距離ZK1-1鉆孔較近，圍巖地質(zhì)條件以此鉆孔為依據(jù)。

依據(jù)此鉆孔揭露情況，金家莊4#煤層厚為4.35m，直接頂為3.71m的泥巖，其上為2.18m的砂質(zhì)泥巖，底板為7.39m的泥巖，具體頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 金家莊4#煤層大巷及順槽圍巖地質(zhì)條件

3 錨桿支護參數(shù)確定方法

3.1 數(shù)值模型的建立

依據(jù)11盤區(qū)大巷圍巖地質(zhì)條件，建立數(shù)值計算力學(xué)模型，如圖1所示。模型上方施加上覆巖層載荷，模型兩側(cè)及底部分別施加水平位移約束和垂直位移約束。建立模型網(wǎng)格后，依據(jù)試驗室獲得的巖石力學(xué)參數(shù)進行賦值，并施加載荷和約束。之后進行運算，使得模型達到初始應(yīng)力狀態(tài)。然后進行工作面和巷道的開挖，模擬計算不同支護參數(shù)條件下的巷道穩(wěn)定性，選擇較為合理的錨桿支護參數(shù)，主要包括錨桿長度、間排距等。數(shù)值計算模型如圖2所示。

圖1 金家莊11盤區(qū)大巷錨桿支護設(shè)計力學(xué)模型

圖2 金家莊11盤區(qū)大巷錨桿支護參數(shù)數(shù)值計算模型圖

11盤區(qū)大巷斷面寬×高為4m×3m。4#煤層塊體尺寸為0.5m×0.5m、直接底泥巖塊體尺寸為1m×1m，直接頂塊體尺寸為1m×2m，向上的巖層塊體尺寸為1m×5m。上覆巖層塊體尺寸較大，為10m×10m。模型總體尺寸為(寬×高)140m×89.9m，上邊界載荷按采深200m計算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，數(shù)值計算模型如圖2所示。根據(jù)4#煤層頂、底板力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果，參考相關(guān)資料，得到各層巖體物理力學(xué)參數(shù)，并給各巖層賦值。

3.2 錨桿一般參數(shù)確定

3.2.1 錨桿材質(zhì)與直徑的確定

為有效地控制巷道圍巖變形和離層，錨桿必須給圍巖可靠的支護阻力。當(dāng)錨桿材質(zhì)一定時，支護阻力的大小與桿體半徑的平方成正比，也就是說，直徑越大，支護阻力和錨桿支護系統(tǒng)剛度越大，對支護越有利。同時，需要考慮錨桿直徑與鉆孔孔徑的合理匹配，如果差值太小，安裝方面會有困難，而差值太大，則會降低錨桿錨固力。

大巷服務(wù)年限比一般巷道較長，且至少要受到兩側(cè)工作面兩次回采影響。考慮支護阻力的需要，目前礦方施工機具條件以及經(jīng)濟等因素，確定頂板錨桿直徑、兩幫錨桿直徑均為20mm，能夠滿足高錨固力、材料節(jié)約、施工方便的要求。

錨桿材質(zhì)和直徑確定的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計算方法，對頂錨桿長度、幫錨桿長度以及錨桿的間排距進行選擇。

3.2.2 錨桿長度的確定

錨桿長度是錨桿支護參數(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)之一。就巷道支護整體結(jié)構(gòu)而言，錨桿長度太短，在巷道圍巖內(nèi)形成的加固厚度較小，不利于巷道頂板的穩(wěn)定。固定錨桿直徑為20mm、間排距為800mm×800mm，模擬不同錨桿長度對大巷變形情況的影響。表2為不同錨桿長度下的圍巖變形量。圖3為隨著頂板錨桿長度的變化圍巖變形量的變化趨勢。

由表2和圖3可以看出，錨桿長度是影響巷道維護效果的重要參數(shù)。當(dāng)錨桿長度從2100mm增大至2700mm時，頂板下沉量、底臌量及兩幫相對移近量分別減小164mm、73mm、205mm。錨桿長度小于2500mm時，巷道表面變形量變化較大；錨桿長度大于等于2500mm時，巷道表面變形量變化較小。因為大巷服務(wù)年限較長，且頂板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，強度小，且受3#煤采動影響，考慮到一定的安全系數(shù)，頂板錨桿和兩幫錨桿長度均取2500mm。

表2 錨桿長度對圍巖變形的影響

圖3 錨桿長度與圍巖變形的關(guān)系

3.2.3 錨桿間排距確定

對巷道支護整體結(jié)構(gòu)而言，間排距過大，支護強度變小，甚至不能形成連續(xù)的承載結(jié)構(gòu)，難以有效控制巷道圍巖變形。針對大巷斷面尺寸、圍巖地質(zhì)條件以及采動狀況，提出4種錨桿間排距方案，固定頂板錨桿間距700mm，幫錨桿間距為800mnm，排距按照1000mm、900mm、800mm、700mm進行模擬。表3為不同排距下的圍巖變形量。圖4為隨著排距的變化圍巖變形量的變化趨勢。

由表3和圖4可知，排距較大時，由于未能形成整體承載支護結(jié)構(gòu)，圍巖變形較大，隨著排距的減小，圍巖變形量逐漸減小，但減小至800mm時，再減小排距，對圍巖變形影響較小。錨桿排距由1000mm減小至800mm時，頂板下沉量、底臌量以及兩幫相對移近量分別減小145mm、82mm、120mm，繼續(xù)由800mm減小至700mm時，分別減小15mm、25mm、23mm，巷道維護效果基本相同。綜合考慮安全、經(jīng)濟等方面的因素，確定頂板錨桿間距為700mm,兩幫錨桿間距為800mm，排距為800mm。

表3 回采期間巷道表面位移量

圖4 錨桿間排距與圍巖變形的關(guān)系

3.2.4 錨索支護

4#煤與3#煤的層間距7m左右，薄的地方5～6m，110403工作面順槽掘進時，5m錨索錨不住，5m錨索時錨在3#煤采空區(qū)下方破碎巖層中。因此，層間距為7m時，一般錨索長度設(shè)計為5m，如果層間距變薄，要適當(dāng)減小錨索長度，以保證錨索錨固在穩(wěn)定巖層當(dāng)中。錨索采用Φ17.8mm×5000mm鋼絞線錨索，每排兩根，間距1600mm，排距1600mm。

3.3 錨桿支護其他參數(shù)

錨桿支護參數(shù)包括錨桿材質(zhì)、錨桿直徑、錨桿長度、錨桿間排距、錨固方式、預(yù)緊力、附件等。

3.3.1 錨桿材質(zhì)

大巷頂板和兩幫錨桿選擇材質(zhì)為20MnSi的左旋螺紋鋼錨桿，其屈服強度和極限強度大，控制圍巖變形效果好，桿體表面具有凹凸紋理，能夠保證錨桿與錨固劑之間較大的黏結(jié)力。

3.3.2 預(yù)緊力

錨桿預(yù)緊力對控制圍巖變形有很重要的作用。據(jù)研究結(jié)果，認(rèn)為錨桿預(yù)緊力的合理最小值為20～30kN。當(dāng)預(yù)緊力小于此范圍時，圍巖變形量有較大增加，而預(yù)緊力大于此值時，對控制巷道圍巖變形的作用不明顯。因此，確定錨桿預(yù)緊力大于20kN，錨桿螺母上緊扭矩大于150N·m。

3.3.3 錨固劑及錨固長度

錨固劑采用樹脂藥卷， 凝結(jié)速度為超快、中速，

頂板、兩幫錨桿采用的樹脂藥卷均為CK2340一支、Z2360一支；錨索采用樹脂藥卷為CK2340一支、Z2360兩支。

3.3.4 錨桿支護附件

包括金屬網(wǎng)、托盤等，頂板、兩幫配套使用金屬網(wǎng)，所有錨桿托盤使用鋼托盤，托盤厚度10 mm。

4 錨桿支護效果檢驗

三條大巷錨桿采用上述參數(shù)支護后，礦山壓力無明顯顯現(xiàn)，根據(jù)頂板離層儀觀察，圍巖無任何變形。頂板支護后處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷幫采用錨網(wǎng)支護，不存在偏幫現(xiàn)象，支護成功。

[1]侯朝炯，勾攀峰.巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2000，19(3)：342-345.