王先軍

（湖南華潤煤業(yè)唐洞煤礦有限公司， 湖南郴州市 423400）

大斷面煤倉硐室支護技術(shù)研究

王先軍

（湖南華潤煤業(yè)唐洞煤礦有限公司， 湖南郴州市 423400）

摘 要：：以華潤煤業(yè)唐洞煤礦-450m水平煤倉為例，針對大斷面巷道特性，通過采用工程類比法和理論分析等方法，選擇了“錨桿+錨索+注漿”的聯(lián)合支護方案。運用松動圈理論和耦合支護原理對錨桿、錨索支護參數(shù)進行了優(yōu)化計算，通過經(jīng)驗方法對注漿參數(shù)進行了優(yōu)化選擇?，F(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果證明了“錨桿+錨索+注漿”的聯(lián)合支護技術(shù)較適合大斷面巷道的圍巖變形控制。

關(guān)鍵詞：大斷面煤倉硐室；圍巖穩(wěn)定性；錨桿注漿聯(lián)合支護

1 工程概況

湖南華潤煤業(yè)唐洞煤礦-450m水平煤倉直徑4.6m，開挖直徑5.6m，屬于大斷面硐室，如圖1所示。該硐室埋深約600m，圍巖主要為粉砂巖，由于硐室跨度大，硐室開挖后，硐室局部位置將難免會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致片幫和冒頂事故發(fā)生，硐室支護將極為困難。

2 大斷面硐室失穩(wěn)影響因素分析

2.1巷道斷面的尺寸效應(yīng)

如圖2所示，將巷道頂板模型視為兩邊固支，頂板載荷為均布載荷，載荷大小為q，且將頂板近似為無限長的薄板。

根據(jù)圖2可知，其撓度曲線可按公式（1）、（2）來計算：

式中：W——巖層撓度，m；

n、an——系數(shù)；

l——巖層寬度，m。

由公式（2）可知，巷道的寬度對巷道頂板的最大撓度值影響最大，即其最大撓度與寬度的四次方成正比關(guān)系，因此，隨著巷道寬度的增大，即巷道斷面越大，由彎曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，導致頂板圍巖不穩(wěn)定。

圖1　煤倉斷面圖

圖2　巷道頂板固支模型

2.2應(yīng)力與巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系

對于深埋巷道，科學界都將巷道等效為圓形巷道，本文將巷道等效為雙向等壓圓形巷道，通過彈塑性理論推導，其巷道周邊應(yīng)力為：

由式（3）可知，切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力和巷道采深H是成正比的。隨著巷道埋深H的增加，切向應(yīng)力σt越大，而切向應(yīng)力又對巷道圍巖變形破壞起決定作用，故巷道變形破壞越嚴重，巷道支護越困難。

3 煤倉硐室支護方案研究

3.1支護方案工程類比

對于大斷面硐室的支護，有以下可供選擇的方案。

（1）錨桿+襯砌支護。第一步為錨網(wǎng)噴臨時支護，第二步襯砌作為永久支護。

（2）錨網(wǎng)噴+U型鋼支架聯(lián)合支護。與第一方案的唯一區(qū)別就在第二步支護，第二步支護選擇架U型鋼支架作為永久支護。

（3）錨桿+錨索+注漿聯(lián)合支護。該支護實質(zhì)是利用注漿錨桿進行注漿，提高破碎圍巖的整體性，提升圍巖自穩(wěn)能力。

根據(jù)-450m水平煤倉的圍巖特性，這幾種支護形式都是可行的，但錨砌支護方案硐室開挖量大，施工較復雜，且后期維護困難；而錨網(wǎng)噴與U型鋼支架聯(lián)合支護方案的施工難度大、成本高；錨桿、錨索、注漿聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)則克服了上述兩種支護體系的缺點。采礦工程界在軟巖頂板、大斷面、破碎圍巖帶、高應(yīng)力條件下等復雜條件下的巷道支護體系中較為普遍采用錨桿支護。然而在上述復雜條件下的巷道支護中，如按常規(guī)設(shè)計錨桿支護參數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗，巷道圍巖的大變形不能得到有效控制，“錨桿-圍巖”的整體垮落是該類巷道變形失穩(wěn)的主要表現(xiàn)形式。為了解決此類安全問題，往往通過使用巷道圍巖注漿、小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索、單體柱進行加強支護。

通過對唐洞煤礦大型機電硐室使用調(diào)查與比較分析，從施工方便、工期短、材料消耗量省等因素考慮，煤倉硐室支護結(jié)構(gòu)要從永久、堅固、經(jīng)濟適用等幾方面綜合考慮，確定-450m水平煤倉硐室選用錨桿、錨索、注漿聯(lián)合支護方案。

3.2支護參數(shù)確定

3.2.1錨桿、錨索支護參數(shù)

（1）錨桿直徑。按照組合拱原理可計算錨桿直徑：

式中：d——錨桿直徑，mm；

G——錨桿所受載荷，按松動圈理論計算為松

動圈巖石重量；

R——錨桿材料抗拉強度，R=310 N/mm2；

K——安全系數(shù)，取1.4。

式中：B——硐室寬度。

N——圍巖不穩(wěn)定系數(shù)，N=1.1。

故取錨桿長度為2.1m。

（3）錨索長度的設(shè)計。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在一般不穩(wěn)定（Ⅳ）圍巖中巷道垮度為7～9m，每米2～4根錨索，長度在6～8m之間。故在唐洞礦煤倉支護中，錨索采用直徑為5mm的鋼絲7根組合而成直徑為15mm，L=6.5m。

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果和工程類比，確定煤倉硐室采用Φ20×2100mm強螺紋鋼無縱筋錨桿，錨桿間距設(shè)計為700mm，排距為700mm。錨固劑采用兩支型號為Z2335樹脂藥卷，錨固長度設(shè)計為0.8m。

錨索采用7根Φ5mm的鋼絲組合，設(shè)計錨索長度L=6.5m，直徑Φ=15mm，錨索間距為1500mm，排距為1500mm。每根錨索采用型號為S2360的4個樹脂錨固劑藥卷錨固，每支樹脂錨固劑的長度L =600mm，直徑Φ=23mm。單根錨索錨固力設(shè)計為≥2000 kN，錨索托盤采用型號為300mm×300mm×10mm和150mm×150mm×10mm大小兩個雙層疊加。錨桿（錨索）布置如圖3～6所示。

3.2.2注漿參數(shù)

從圖1可以看出，煤倉底部斷面非常大，承載的壓力主要集中在煤倉底部兩端，故必須加強支護，通過注漿煤倉底部圍巖，使煤倉圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角得到提高，從而使巖塊間相對位移的阻力得到增大，最終達到提高圍巖整體穩(wěn)定性的目的。

故選取Φ20mm的螺紋鋼。

（2）錨桿長度計算。據(jù)耦合支護原理可知：

此次注漿采用水泥水玻璃漿液。水泥漿液與水玻璃體積比為1∶0.03，水泥漿的水灰比設(shè)計為0.8∶1，設(shè)計注漿孔長度L=3.5m，直徑Φ=42mm；注漿管采用普通鐵管或鋼管，直徑Φ=20mm，長度L=1.5m。封孔材料采用速凝水泥，封孔長度為0.5m。煤倉底部進行注漿，B-B剖面注漿孔間距一般為1.2m，C-C剖面注漿孔間距一般為1.6m；排距均為2m，采用平行布置。斷面布置見圖7和圖8所示。

圖3　煤倉硐室錨桿（錨索）布置參數(shù)

圖4　A-A剖面錨桿（錨索）布置參數(shù)

圖5　B-B剖面錨桿（錨索）布置

圖6　C-C剖面錨桿（錨索）布置

圖7　B-B剖面注漿孔布置

圖8　C-C剖面注漿孔布置圖

4 煤倉硐室穩(wěn)定性現(xiàn)場觀測分析

該煤倉硐室已完工，項目組分別在煤倉底部、中部、底部設(shè)立了3個測站進行了3個月的礦壓觀測。從圖9可看出，在1測站（煤倉底部）兩幫移近量最大為54mm；在2測站（煤倉中部）兩幫移近量最大為51mm；在3測站（煤倉上部）兩幫移近量最大為45.7mm。圍巖的穩(wěn)定得到較好的控制。

從圖10可看出，在1測站（煤倉底部）右?guī)鸵平孔畲鬄?9mm；在2測站（煤倉中部）右?guī)鸵平孔畲鬄?6mm；在3測站（煤倉上部）右?guī)鸵平孔畲鬄?2mm?？梢娒簜}右?guī)蛧鷰r的穩(wěn)定得到較好的控制。

圖9　煤倉硐室兩幫位移量

圖10　煤倉硐室各測站右?guī)臀灰屏?/p>

近3個月的現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果顯示，大斷面煤倉硐室的圍巖變形在設(shè)計允許范圍內(nèi)，錨桿、錨索受力均勻，無失效錨桿、錨索。這充分證明了特大斷面硐室采用“錨桿+錨索+注漿”聯(lián)合支護方案是合理可靠的，煤倉硐室圍巖的長期穩(wěn)定能夠得到保證。

5 結(jié) 論

唐洞煤礦大斷面煤倉硐室支護施工表明：唐洞煤礦煤倉硐室通過增加錨桿密度，加大錨索長度和密度，增加錨桿、錨索預(yù)緊力和錨固力來提高支護強度，噴漿封閉圍巖防止水和空氣侵蝕支護體，注水泥漿改變圍巖巖性等支護手段是行之有效的，而且操作較為簡便。盡管新方案支護材料費用有所增加，但大大降低了維護費用，保證了正常的生產(chǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

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收稿日期：（2015-11-09）

作者簡介：王先軍（1979-），男，湖南永州人，工程師，主要從事煤礦開采技術(shù)方面的研究，Email：rty11112@163.com。