王薈欽，馬金建，李 洋，高 輝

（1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；2.山東能源棗莊礦業(yè)（集團）有限責任公司七五生建煤礦，山東 濟寧 277606）

0 引言

目前煤礦巷道所采用的支護方式主要為錨桿支護，錨桿支護的大面積推廣應用解決了大量巷道支護難題，提高了巷道支護效果，保證了安全生產(chǎn)。多年來在煤礦上的實踐經(jīng)驗表明，錨桿支護是煤巷經(jīng)濟有效的支護技術(shù)，已經(jīng)成為煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效安全生產(chǎn)的關鍵技術(shù)之一［1］。深部巷道開挖掘進過程中，巷道支護的難度加大，支護參數(shù)選取的正確與否直接決定了巷道支護的最終效果。對巷道支護參數(shù)的校核是十分必要的。邢彥文［2］通過對錨桿支護理論和圍巖松動圈理論分析，結(jié)合錨桿支護設計實例闡述破碎特厚煤層巷道的支護技術(shù)，提出了軟巖巷道支護應積極推廣使用錨桿支護技術(shù)的觀點。周浩亮、楊瑾娣［3］以模糊數(shù)學為理論基礎，通過對影響巖巷支護選型多種因素的分析，建立了“巖巷支護選型的模糊綜合評判模型”，由此提出了一種較為新穎的巖巷支護選型方法。高倩［4］分析了童亭煤礦傳統(tǒng)巷道支護方式存在的問題，介紹了推廣應用新型錨桿支護技術(shù)采取的一系列措施方法及取得的成效，并提出了今后的努力方向。單智勇［5］針對我國錨桿支護現(xiàn)狀、發(fā)展技術(shù)、經(jīng)濟效益和發(fā)展方向進行全面的分析研究評價，以推動該技術(shù)的全面發(fā)展。但是我國礦井的實際地質(zhì)條件差別很大，需要針對礦井具體條件進行支護方案校核。某礦41盤區(qū)一號回風大巷由于圍巖性質(zhì)較差、受掘進擾動影響大、后期施工標準較低等原因，巷道出現(xiàn)一定程度變形。為此，對41盤區(qū)一號回風大巷的支護參數(shù)進行驗算，保證巷道圍巖的穩(wěn)定，確保安全服務于41盤區(qū)生產(chǎn)。

1 巷道概況

某礦埋深為547～730 m，屬于深埋礦井。41盤區(qū)一號回風大巷臨近巷道有二號回風巷、帶式輸送機巷、輔助運輸巷。巷道長度為593.30 m，巷道在煤層內(nèi)掘進，整體多布置在遇水膨脹的泥巖和透水性較好的細粒砂巖中。煤層厚度3.76～4.32 m之間，平均厚度3.93 m；傾角2°～6°，平均為3°。礦井工作面絕對瓦斯涌出量59.89 m3/min，相對瓦斯涌出量為7.12 m3/t，屬于高瓦斯礦井，煤塵有爆炸性危險。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2 巷道支護參數(shù)

41盤區(qū)一號回風大巷為拱形斷面，掘進尺寸為5 240 mm×4 220 mm，采用錨網(wǎng)噴+錨索+W鋼帶（頂部）+鋼筋梯（幫部）+槽鋼聯(lián)合支護形式。巷道支護采用φ22 mm×2 500 mm BHRB335高強螺紋鋼錨桿，每排16根，間排距為700 mm×700 mm；錨桿托盤采用150 mm×150 mm×8 mm碟形托盤；每根使用2根錨固劑（1根MSZ23/60型樹脂藥卷和1根MSK23/60型樹脂藥卷），預緊力矩不小于120 N·m，錨固力不小于100 kN；頂部最外側(cè)錨桿距幫不超過400 mm，幫部錨桿頂錨距頂部不超過300 mm；錨索采用1×19芯結(jié)構(gòu)、φ21.6 mm×8 800 mm鋼鉸線，每排5根，間排距1 200 mm×1 400 mm；錨索托盤采用300 mm×300 mm×20 mm碟形托盤；每根錨索使用4根錨固劑（3根MSZ23/60型樹脂藥卷和1根MSK23/60型樹脂藥卷），預緊力180 kN，錨固力不小于200 kN。支護斷面如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

圖1 41盤區(qū)一號回風大巷支護斷面圖

3 基于極限平衡理論的支護參數(shù)核算

3.1 圍巖深度核算

極限平衡法設計煤巷錨桿支護參數(shù)依托于兩個基本理論：一是彈塑性理論；二是懸吊理論。為了克服彈塑性理論的局限性，采用煤巖體物理力學參數(shù)修正系數(shù)和采動影響系數(shù)加以修正［6-7］。下面采用極限平衡理論校驗支護參數(shù)。

巷道周邊極限平衡區(qū)半徑為

式中：a—巷道理論半徑，為2.72 m；K1—采動影響系數(shù)，取1.8；γ—上覆巖層體積力，取0.025 MN/m3；H—巷道埋深，取700 m；K2—煤巖體力學參數(shù)修正系數(shù)，取0.8；C—黏結(jié)力，根據(jù)巖石力學試驗為5.68 MPa；φ—內(nèi)摩擦角，根據(jù)巖石力學試驗為28.44°；Pi—支護阻力，取0.25 MPa。

由此確定極限平衡區(qū)深入巷道圍巖深度為：

3.2 錨桿參數(shù)核算

錨桿長度：

式中：L1—錨桿錨固段長度，0.61 m；Δ—極限平衡區(qū)深入圍巖的深度，1.7 m；L3—錨桿外露長度，一般取0.15 m。根據(jù)上述結(jié)果和現(xiàn)場所用支護材料，取錨桿長度2 500 mm滿足支護要求。

錨桿直徑：

式中：S—錨桿的維護面積，取0.81 m2；qd—需要支護加固的最大載荷密度，取0.12 MPa；［σ］—桿體材料的許用強度，取335 MPa。結(jié)合井下巷道的實際情況，此處錨桿直徑22 mm滿足要求。

錨桿間排距：

式中：Q—錨固力，設計為錨桿屈服載荷（127 kN）的80%，取100 kN；K—錨桿安全系數(shù)，取4；γ—巖石體積力，25 kN/m3；Δ—極限平衡區(qū)深入圍巖的深度，1.7 m?？紤]41盤區(qū)一號回風大巷前期巷道圍巖變形較大，錨桿間排距取700 mm×700 mm合理可行。

錨桿預緊力矩設計：

錨桿預緊力與螺母預緊力矩存在如下關系

式中：P—錨桿預緊力，31.56～52.59 kN；M—錨桿預緊力矩，N·m。由式（7）可得到錨桿預緊力矩為189.36～368.13 N·m。根據(jù)煤層厚度和巷道高度，錨桿預緊力矩不小于240 N·m。

3.3 錨索參數(shù)核算

錨索長度：

式中：X1—錨索外露長度，取0.4 m；X2—錨索的有效錨固長度，取5.1 m；X3—錨索的錨固長度，取0.15 m。錨索長度選取8 800 mm大于設計標準，符合安全規(guī)程要求。

錨索支護密度：

式中：K—安全系數(shù)，取2；γ—煤巖體積力，取25 kN/m3；B—巷道寬度，取5.24 m；H—巷道松動破碎區(qū)高度，m，取3Δ；Q—錨索破斷載荷，取510 kN。

錨索排距：

式中：n—每排錨索確定的根數(shù)，取5；N—錨索支護密度，取2.62。錨索排距取1 400 mm，符合設計要求。

錨索間距：

式中：B—巷道寬度，5.24 m。結(jié)合錨索排距選取數(shù)值，錨索間距取為1 200 mm，略大于計算結(jié)果，后期可根據(jù)支護狀態(tài)調(diào)整。

綜上，巷道支護參數(shù)中高強螺紋鋼錨桿取φ22 mm×2 500 mm，間排距700 mm×700 mm，預緊力矩240 N·m；錨索φ21.6 mm×8 800 mm鋼鉸線，間排距1 200 mm×1 400 mm符合計算設計要求。

4 數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測

4.1 數(shù)值模擬分析

利用FLCD3D數(shù)值模擬軟件對支護巷道進行位移及應力分析研究［8-10］。根據(jù)巷道具體地質(zhì)條件進行模型建立，上部施加均布載荷，其余各面施加位移約束，巷道支護參數(shù)數(shù)值模擬分析如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬位移和應力云圖

由圖2分析可得，在采用的支護參數(shù)條件下，巷道水平位移即兩幫移近量最大為0.31 m，垂直位移即頂?shù)装逡平孔畲鬄?.91 m；巷道水平應力最大為16.5 MPa，垂直應力最大為1.71 MPa。位移與圍巖應力均較小，符合支護要求，證明支護優(yōu)化設計滿足生產(chǎn)需要。

4.2 現(xiàn)場實測分析

在巷道內(nèi)距離掘進迎頭15 m處斷面布置表面位移測站，測量其中的A1B1、A2B2、A3B3、A4B4和CD這5組數(shù)據(jù)，測點分布圖如圖3所示。

圖3 測點分布示意圖

測站布置后，前兩星期每天觀測1次，之后每星期測量3次，直至巷道基本穩(wěn)定。依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，41盤區(qū)一號回風大巷測站處頂?shù)装謇鄯e移近量為300 mm，兩幫累積移近量為215 mm，觀測15 d后巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定；頂?shù)装遄畲笠平俾蕿?7 mm/d，兩幫最大移近速率為32 mm/d，均出現(xiàn)在測站布設后第3 d，后期圍巖移近速率較小。巷道圍巖移近量整體不大，屬掘進期內(nèi)圍巖應力重新分布、變形正常釋放過程，說明支護方案的參數(shù)合理有效。

5 結(jié)論

（1）采用極限平衡理論進行了支護參數(shù)的校核，支護參數(shù)符合錨桿索參數(shù)計算結(jié)果，證明所采用支護參數(shù)滿足理論設計要求。

（2）巷道支護參數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果表明：巷道位移及應力均較小，支護方案參數(shù)能夠滿足生產(chǎn)安全的要求。

（3）通過現(xiàn)場表面收斂監(jiān)測評定的支護效果，頂?shù)装搴蛢蓭偷睦鄯e移近量分別為300 mm和215 mm，最大移近速率分別為47 mm/d和32 mm/d。兩幫及頂?shù)装迨諗康玫接行Э刂?，且能夠保證掘進生產(chǎn)安全。

圖4 表面位移變化曲線

（4）研究結(jié)果表明所設計支護方案科學合理，能夠有效控制圍巖變形，保證了生產(chǎn)安全，為其他工作面支護方案設計提供了參考依據(jù)。