郭 向 前

（汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)公司，山西 交城 030500）

1 工程概況

中興礦目前準(zhǔn)備進(jìn)行三采西翼回風(fēng)巷的掘進(jìn)作業(yè)，巷道設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形斷面，凈寬5000mm，直墻高2400mm，凈高4200mm，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1988m，三采西翼回風(fēng)巷工作面沿2# 煤層底板掘進(jìn)，2# 是厚2.02m 左右中厚煤層，平均傾角8°，為半煤巖巷道，上覆巖層依次為1.8m 的碳質(zhì)泥巖、0.5m 的頁(yè)巖、0.8m 的砂巖、4.5m 的砂質(zhì)頁(yè)巖、8m 的砂巖，抗壓強(qiáng)度依 次 為 39.2MPa、20.2MPa、27.1MPa、22.2MPa、39.2MPa，其中頁(yè)巖與泥巖遇水易發(fā)生軟化?，F(xiàn)針對(duì)該巷道拱形斷面及層狀巖層頂板的特點(diǎn)對(duì)巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算。

2 拱形巷道圍巖變形特征的理論分析

2.1 拱形巷道破壞特征

一般巷道開挖后，圍巖均會(huì)受擾動(dòng)而進(jìn)入塑性狀態(tài)，而中興礦三采西翼回風(fēng)巷為拱形巷道并且頂板為遇水易軟化的層狀巖層，因此如果頂板的支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，會(huì)發(fā)生離層片幫的現(xiàn)象。頂板離層所產(chǎn)生的載荷會(huì)經(jīng)拱弧段傳遞到兩幫的圍巖上，從而使巷幫承受壓力增大產(chǎn)生變形、甚至片幫。因此在巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證頂板拱弧段有足夠的支護(hù)強(qiáng)度。下面分析具有層狀巖層頂板的三采西翼回風(fēng)巷拱形斷面中拱肩處的變形特點(diǎn)。

2.2 拱肩變形理論分析[1]

將巷道圍巖參數(shù)代入式1 可以得到松動(dòng)范圍高度。

式中：H 為巷道圍巖松動(dòng)范圍的高度，m；b 為拱形斷面的寬度，取5.0m；a 為拱形斷面的高度，取4.2m；f 為巷道圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)，取1.5。經(jīng)計(jì)算得出三采西翼回風(fēng)巷圍巖松動(dòng)范圍的高度為1.38m。

式中：q 為拱頂受覆巖垂直應(yīng)力的大小，kN/m2；γ為拱頂覆巖容重，取24.0kN/m3，H 為巷圍巖松動(dòng)范圍的高度，取1.38m。

進(jìn)一步由式2 可以計(jì)算出巷道拱頂巖層受到覆巖的垂直應(yīng)力為162.83kN/m2。

根據(jù)式3 可以計(jì)算出巷道拱頂形成的懸臂巖梁所承受的載荷為467.33kN。

式中：pn為第n 層巖層受上覆n+1 層的壓力，kN；ln為第n 層巖層從拱形巷道直墻面至自由端的距離，m；為第 n 層巖層的容重，kN/m3；hn為第 n 層巖層厚度，m。

將式3 的計(jì)算結(jié)果帶入式4，就可以迭代計(jì)算出拱頂至起拱線間每一巖層受上覆巖體傳遞下來的壓力，p 頂、pn、pn-1、…p2、p1。

得到起拱線至拱頂各層位巖層所受覆巖壓力后，根據(jù)巖石的破壞機(jī)理[2]，進(jìn)一步求出各層巖層的折斷點(diǎn)坐標(biāo)xt及產(chǎn)生剪切破壞的位置xc。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 2# 煤層頂板巖層計(jì)算結(jié)果

當(dāng)巖梁的折斷點(diǎn)坐標(biāo)xt＞巖梁產(chǎn)生剪切破壞的距離xc時(shí)，巖梁在xt 處發(fā)生拉破壞；當(dāng)巖梁的折斷點(diǎn)坐標(biāo)xt＜巖梁產(chǎn)生剪切破壞的距離xc時(shí)，巖梁在xc處發(fā)生剪破壞。因此通過表2 發(fā)現(xiàn)：理論計(jì)算出的頂板覆巖中頁(yè)巖、砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖可能會(huì)在拱形巷道的拱肩處發(fā)生剪破壞和拉破壞。因此為了避免巷道掘進(jìn)支護(hù)后有拱肩處層狀巖層拉破壞和剪破壞現(xiàn)象的發(fā)生，需要在設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)時(shí)考慮對(duì)拱肩處巖層的控制。

3 支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果

3.1 三采西翼回風(fēng)巷合理支護(hù)參數(shù)的確定[3～4]

考慮到三采西翼回風(fēng)巷為具有層狀巖層頂板的拱形巷道，其頂板巖層物理力學(xué)性質(zhì)軟弱，且頂板中碳質(zhì)泥巖和頁(yè)巖等遇水后的易產(chǎn)生弱化，因此通過采用高強(qiáng)度的錨桿錨索并保證足夠的錨固長(zhǎng)度來避免層狀巖層破斷、離層現(xiàn)象的發(fā)生。結(jié)合礦方現(xiàn)有材料，設(shè)計(jì)中的錨桿索分別選用左旋螺紋鋼錨桿及鋼絞線錨索。

3.1.1 錨桿參數(shù)的確定

依據(jù)組合拱理論和非彈性區(qū)理論進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先對(duì)巷道頂板支護(hù)進(jìn)行分析，根據(jù)式5確定頂板塑性區(qū)半徑后即可得到該巷道的圍巖破壞范圍。

式中：r 為巷道等效圓半徑，取2.5m；P 為累計(jì)地應(yīng)力，取 7.217MPa；C 為巖層內(nèi)聚力，取 1.8MPa；φ 為巖層內(nèi)摩擦角，取31°。將上述參數(shù)帶入式5 得到巷道頂板塑性區(qū)半徑R0為3.75m。

冒落拱高度b 可由式6 計(jì)算得到，從而計(jì)算出冒落拱內(nèi)松動(dòng)圍巖的截面面積，由式7 可得到頂板錨桿承受的冒落拱內(nèi)松動(dòng)巖石的重量G1。

式中：K1為動(dòng)壓影響系數(shù)，取1.8；γ為冒落拱內(nèi)各巖層的加權(quán)平均容重，取18kN/m3；S 為冒落拱內(nèi)松動(dòng)圍巖的截面面積，取10.8m2；D 為錨桿排距，取1.0m。經(jīng)計(jì)算頂板冒落拱內(nèi)錨桿所承受的松動(dòng)圍巖重量 G1為 244.93kN。

三采西翼回風(fēng)巷頂板左旋螺紋鋼錨桿直徑22mm，載荷為70kN，則根據(jù)244.93/70=3.499 設(shè)計(jì)該巷道頂板每排4 根錨桿，間距1.2m。

式中：L1為頂板錨桿錨固長(zhǎng)度；G1為式7 計(jì)算所得松動(dòng)圍巖重量，244.93kN；m 為安全系數(shù)，1.5；d 表示安裝錨桿的鉆孔直徑，0.042m；為樹脂錨固劑巖與圍巖之間形成的抗剪強(qiáng)度，取7×25×106Pa。經(jīng)計(jì)算L1=0.92m，故1.1m 為合理的錨桿錨固長(zhǎng)度，由L頂=a2+L1+0.1 確定頂板錨桿長(zhǎng)度為2.6m。

三采西翼回風(fēng)巷巷幫錨桿選用Φ20 的左旋螺紋鋼錨桿，由普氏冒落拱理論可得兩幫不穩(wěn)定時(shí)的松動(dòng)范圍計(jì)算公式如下，其中h 表示巷道寬度。

通過計(jì)算得到三采西翼回風(fēng)巷巷幫不穩(wěn)定的范圍為2.38m，故確定巷幫錨桿長(zhǎng)度為2.4m，巷幫錨桿的錨固長(zhǎng)度為600mm，間排距1.0×1.0m。

故最終確定三采西翼回風(fēng)巷頂板每排布置5 根直徑22mm 長(zhǎng)度2600mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間距1.2m 排距1m，錨固長(zhǎng)度1.1m，每根錨桿使用一卷K2355 和一卷Z2355 型錨固劑；巷幫兩側(cè)每排布置5根直徑20mm 長(zhǎng)度2400mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間距1m 排距1m，錨固長(zhǎng)度600mm，每根巷幫錨桿使用一卷Z2355 型錨固劑。

3.1.2 頂板錨索參數(shù)的確定

為了充分控制拱形巷道拱肩處的層狀巖層，同時(shí)借鑒其他礦井拱形巷道的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)三采西翼回風(fēng)巷頂板每排布置3 根Φ21.6 的鋼絞線錨索，間距為1200mm。

錨索的排距由冒落拱內(nèi)各巖層的重量來確定，通過式10 可以得到錨索的排距。

式中：a 為巷道的跨度，取5m；γ 為各巖層的加權(quán)平均容重，取18kN/m3；σ 為錨索的極限破斷力，取220kN；k 為安全系數(shù)，取1.2。經(jīng)過計(jì)算確定錨索的排距為2.0m。

根據(jù)式11 可以得到頂板錨索的錨固長(zhǎng)度。

式中：K 為安全系數(shù)，取1.5；P 為錨索的抗拉強(qiáng)度，取220kN；D 為錨索鉆孔直至，取0.032m；為樹脂錨固劑巖與圍巖粘結(jié)力，取1.8×106Pa。經(jīng)計(jì)算La=1.56m，故1.6m 為合理的錨索錨固長(zhǎng)度，確定錨索長(zhǎng)度7m，使其能夠錨固在穩(wěn)定巖層上。

故最終確定三采西翼回風(fēng)巷頂板每排布置3 根長(zhǎng)度為7m、Φ21.6 的鋼絞線錨索，間距為1200mm 排距2000mm，錨固長(zhǎng)度1.6m，每根錨索使用一卷K2355 和兩卷Z2355 型錨固劑。

綜上所設(shè)計(jì)的三采西翼回風(fēng)巷具體支護(hù)參數(shù)如圖1 所示。

對(duì)三采西翼回風(fēng)巷的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，頂 板 錨 索 的 總 承 受 力 F1=np ×1.0=2 ×220 ×1.0=440kN，頂板錨桿的總承受力F2=np×1.6=5×70×1.6=560kN，故頂板總承受力F=F1+F2=1000kN＞314.93kN，故認(rèn)為設(shè)計(jì)合理。

3.2 應(yīng)用效果

三采西翼回風(fēng)巷在應(yīng)用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)后，通過在掘進(jìn)迎頭布置巷道內(nèi)布置測(cè)站分析巷道開挖直至穩(wěn)定期間的圍巖變形數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)所優(yōu)化的支護(hù)參數(shù)的合理性，數(shù)據(jù)如圖1。

圖1 優(yōu)化后具體支護(hù)參數(shù)示意圖

圖2 支護(hù)優(yōu)化后掘進(jìn)巷道圍巖變形情況

觀察圖2 發(fā)現(xiàn)：在應(yīng)用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)后，三采西翼回風(fēng)巷在掘進(jìn)初期的兩幫移近量為10mm 左右，頂?shù)装逡平繛?0mm 左右，并且拱肩處沒有出現(xiàn)破斷垮落現(xiàn)象，在掘進(jìn)后穩(wěn)定期巷道的頂?shù)装逡平靠刂圃?0mm，兩幫移近量控制在20mm，整體圍巖變形量小，支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié) 論

中興煤礦三采西翼回風(fēng)巷為拱形巷道且頂板為遇水易軟化的層狀巖層，通過理論分析計(jì)算出的巷道拱肩巖層的破壞位置及破壞形式發(fā)現(xiàn)當(dāng)拱肩處的支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)會(huì)發(fā)生層狀巖層破斷垮落的現(xiàn)象，因此針對(duì)巷道特點(diǎn)在組合拱理論和非彈性區(qū)理論基礎(chǔ)上對(duì)巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)使用優(yōu)化參數(shù)后，掘進(jìn)初期拱肩沒有出現(xiàn)破斷垮落現(xiàn)象，并且圍巖控制在允許變形范圍內(nèi)，證實(shí)該支護(hù)參數(shù)可以保證三采西翼回風(fēng)巷的安全掘進(jìn)。