胡光華

錨網(wǎng)索支護(hù)在軟巖巷道中的應(yīng)用

胡光華

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西 霍州 031400)

針對(duì)軟巖巷道返修率高和支護(hù)難的問(wèn)題，提出了采用錨網(wǎng)索支護(hù)的機(jī)理和設(shè)計(jì)方法，并用FLAC軟件模擬驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)的有效性，在支護(hù)施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)支護(hù)質(zhì)量的控制采取了針對(duì)性的技術(shù)措施，巷道支護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，圍巖的變形得到了有效控制，在工程應(yīng)用中取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

軟巖;參數(shù);錨網(wǎng)索支護(hù);礦壓監(jiān)測(cè)

辛置煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層頂?shù)装逅绍?，巷道破壞?yán)重，支護(hù)越來(lái)越困難，返修率較高，維護(hù)費(fèi)用較大。二采區(qū)掘進(jìn)的4#煤層(沿煤層)區(qū)段巷，以前主要采用棚式支護(hù)，曾連續(xù)返修7次，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)，亟需采用一種新的更有效的支護(hù)方式來(lái)支護(hù)巷道，保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。錨桿支護(hù)作為一種有效的支護(hù)方式在回采巷道支護(hù)方面得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)圍巖內(nèi)部的桿體，改變了圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，提高了圍巖的強(qiáng)度，從而在巷道周?chē)纬闪艘粋€(gè)完整穩(wěn)定的承載力，與圍巖共同作用，支護(hù)效果良好，必要時(shí)再輔助錨索支護(hù)，對(duì)圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，因此，可以應(yīng)用于軟巖巷道的支護(hù)。

1 錨網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

辛置煤礦二采區(qū)位于斜井西翼，上至－50標(biāo)高，下至－120標(biāo)高，西至斜井向斜軸，東至斜井煤柱線，全區(qū)平均走向長(zhǎng)550 m，傾斜長(zhǎng)260 m。本區(qū)4#煤層煤質(zhì)松軟破碎，煤層頂?shù)装逅绍?，?jié)理發(fā)育明顯，煤層中含2～4層鏡狀?yuàn)A石，夾石厚度不均，且變化較大。煤層最大厚度為19 m，最小厚度為3.8 m，平均厚度為6 m。煤層柱狀圖見(jiàn)圖1。

1.2 支護(hù)機(jī)理

圖1 煤層柱狀圖

根據(jù)圍巖松動(dòng)圈理論，巖層碎脹，強(qiáng)度低，松動(dòng)圈尺寸為1.50 m，屬于大松動(dòng)圈，圍巖為軟巖，采用錨桿形式形成組合拱支護(hù)軟巖，可以達(dá)到良好的效果。組合拱理論認(rèn)為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝錨桿時(shí)，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個(gè)錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯(cuò)，就能在巖體中形成一個(gè)均勻的壓縮帶，即組合拱。組合拱是利用錨桿的錨固力對(duì)破碎圍巖進(jìn)行加固，使松動(dòng)圈內(nèi)破碎圍巖的強(qiáng)度恢復(fù)進(jìn)入支護(hù)狀態(tài)。

1.3 圍巖松動(dòng)圈的測(cè)定

采用PHD－2型聲波檢測(cè)儀按照聲波測(cè)試法對(duì)圍巖松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，巷道兩幫圍巖松動(dòng)圈的范圍為1.2 ～1.6 m。

圖2 圍巖松動(dòng)圈測(cè)定結(jié)果

1.4 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

1.4.1 巷道斷面的確定

從力學(xué)原理來(lái)看，巷道采用圓形斷面效果最好，但是考慮到巷道使用方便，采用直墻半圓形斷面，巷道凈寬3 600 mm，凈高3 000 mm，斷面形狀見(jiàn)圖3。

圖3 巷道斷面形狀示意圖

1.4.2 錨桿參數(shù)的確定

1)錨桿間排距的確定。

式中：

M—錨桿間排距;

N—圍巖影響系數(shù)，頂板圍巖系數(shù)取1.2，邊幫圍巖系數(shù)取 1.1。

考慮圍巖強(qiáng)度低及地應(yīng)力相對(duì)較大等特點(diǎn)，結(jié)合工程類(lèi)比法，現(xiàn)對(duì)錨桿的間排距進(jìn)行縮小，頂錨桿間距取0.6 m，幫錨桿間距取 0.6 m。

2)錨桿長(zhǎng)度的確定。

頂錨桿：

幫錨桿：

式中：

L—錨桿全長(zhǎng)，m;

B—組合拱厚度，m;

M—錨桿間排距，m;

L2—錨桿外露長(zhǎng)度，m。

考慮圍巖強(qiáng)度低及地應(yīng)力相對(duì)較大等特點(diǎn)，結(jié)合工程類(lèi)比法，現(xiàn)對(duì)錨桿長(zhǎng)度加長(zhǎng)，頂錨桿長(zhǎng)度取2.2 m，幫錨桿長(zhǎng)度取2.0 m。

3)錨桿直徑的確定。

考慮到圍巖強(qiáng)度低及地應(yīng)力相對(duì)大等特點(diǎn)，用工程類(lèi)比法，現(xiàn)對(duì)錨桿的直徑進(jìn)行加粗，頂錨桿直徑為22 mm，幫錨桿直徑為20 mm。

4)錨桿類(lèi)型的選擇。

錨桿選擇礦方已使用的螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，錨固方式選為全長(zhǎng)錨固，選用樹(shù)脂錨固劑，錨桿初始預(yù)應(yīng)力為2 t。

1.4.3 錨索參數(shù)的確定

1)錨索長(zhǎng)度的確定。

式中：

La—錨索長(zhǎng)度，m;

La1—錨索外露長(zhǎng)度，m;

La2—錨索有效長(zhǎng)度，m;

La3—錨索錨固長(zhǎng)度，m。

2)錨索類(lèi)型的選擇。

錨索選擇礦方已使用的直徑為15.22 mm的鋼絞線錨索，錨索錨固方式選為全長(zhǎng)錨固，選用樹(shù)脂錨固劑，錨索初始預(yù)應(yīng)力為4 t。

1.4.4 金屬網(wǎng)及鋼筋梯參數(shù)的確定

金屬網(wǎng)形狀選用經(jīng)緯網(wǎng)，材料選用圓鋼，規(guī)格為d=6 mm，網(wǎng)孔為 @50 mm×50 mm。

鋼筋梯選擇圓鋼焊接而成，材料選用圓鋼，規(guī)格為d=14 mm，鋼筋梯寬B=100 mm，加強(qiáng)筋間距800 mm。

1.5 支護(hù)設(shè)計(jì)

支護(hù)設(shè)計(jì)平面圖見(jiàn)圖4。

圖4 支護(hù)設(shè)計(jì)平面圖

1.6 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值模擬

本設(shè)計(jì)方案采用FLAC有限差分?jǐn)?shù)值分析計(jì)算軟件，對(duì)錨網(wǎng)索支護(hù)方案的有效性進(jìn)行分析。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

模型模擬：

本次錨網(wǎng)索支護(hù)巷道數(shù)值模擬應(yīng)用的是FLAC2D軟件，模擬結(jié)果見(jiàn)圖5，圖6。

圖5 圍巖應(yīng)力分布圖

由圖5，圖6模擬結(jié)果分析可知：模擬驗(yàn)證的錨網(wǎng)索支護(hù)方案是一種主動(dòng)支護(hù)形式，不是被動(dòng)地承受?chē)鷰r壓力，而是主動(dòng)地控制圍巖的力學(xué)性態(tài)變化，使支護(hù)與圍巖共同作用，充分發(fā)揮了圍巖的自身承載力，圍巖從荷載變?yōu)槌休d，變消極因素為積極因素，限制了圍巖的變形、位移、裂隙向圍巖深部發(fā)展，盡量保持了圍巖的完整性與穩(wěn)定性。由此可見(jiàn)，本支護(hù)方案是合理可行的，模擬數(shù)據(jù)也充分證明了這一點(diǎn)。

圖6 圍巖位移分布圖

2 礦壓監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)面布置在距該巷道錨網(wǎng)索支護(hù)起始位置60 m處。該監(jiān)測(cè)面表面位移數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，表面位移變化曲線見(jiàn)圖7。

表2 監(jiān)測(cè)面表面位移觀測(cè)表

圖7 監(jiān)測(cè)斷面位移變化曲線圖

由表2，圖7觀測(cè)分析可知：巷道支護(hù)后5～15 d圍巖在不斷的調(diào)整和變化之中，變形速度較快。頂板下沉量較小，最大下沉量為13 mm，兩幫收斂量較大，最大收斂量為30 mm。而后圍巖運(yùn)動(dòng)趨于平緩，此時(shí)，塑性區(qū)邊界不再向圍巖深部發(fā)展，圍巖趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

巷道圍巖松動(dòng)圈的測(cè)定為支護(hù)設(shè)計(jì)提供了可靠數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確定了圍巖類(lèi)別為不穩(wěn)定圍巖，采用組合拱理論計(jì)算、工程類(lèi)比法和實(shí)測(cè)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，在支護(hù)施工過(guò)程中對(duì)圍巖關(guān)鍵部位實(shí)施高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)，采取技術(shù)措施對(duì)支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，礦壓監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示，支護(hù)達(dá)到了預(yù)期目的，支護(hù)方案是合理可行的。

軟巖在錨網(wǎng)索支護(hù)作用下，特別是預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的使用下增強(qiáng)了主動(dòng)支護(hù)的作用，形成了一個(gè)整體的組合拱，增強(qiáng)了組合拱的自身強(qiáng)度，限制了圍巖變形向巷道深部發(fā)展，改善了圍巖應(yīng)力場(chǎng)，使組合拱的應(yīng)力狀態(tài)接近于原巖應(yīng)力狀態(tài)，在這種組合拱的作用下充分利用了巷道圍巖的自承載能力，確保了軟巖巷道支護(hù)的有效性。錨網(wǎng)索支護(hù)在辛置礦軟巖巷道支護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，確保了生產(chǎn)的正常進(jìn)行，取得了較好的支護(hù)效果。

［1］ 何滿潮，袁和生.中國(guó)煤礦錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2004：56－57.

［2］ 薛順勛，聶光國(guó).軟巖巷道支護(hù)技術(shù)指南［M］.北京：煤炭工業(yè)出版，2002：77－79.

［3］ 王祖和，王明遠(yuǎn).錨噴支護(hù)工程質(zhì)量檢測(cè)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1996：42－43.

［4］ 徐永圻.采礦學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：112－113.

［5］ 宋宏偉.大松動(dòng)圈軟巖巷道支護(hù)［J］.建井技術(shù)，1994(4)：28－29.

［6］ 李家鰲.煤巷錨索支護(hù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1997(12)：52 －53.

Application on Bolt－Mesh－Anchor Support in Soft Rock Roadway

Hu Guang－h(huán)ua

The mechanism and design method of bolt－mesh－anchor support are used for solving the problem of high repair rate and difficult support in soft rock roadway.FLAC software simulation results verify the effectiveness of the design.The technical measures are taken to control quality during construction.The monitoring date of roadway support shows that wall rock has been effectively controlled.Engineering application achieved significant technical and economic effects.

Soft rock;Parameter;Bolt－mesh－anchor support;Rock pressure;Monitoring

TD353

A

1672－0652(2012)07－0009－04

2012－05－09

胡光華(1975—)，男，湖南桃源人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)管理方面的研究(E －mail)403177894@qq.com