成小勇

(晉能控股煤業(yè)集團 恒源公司，山西 晉城 048006)

1 工程概況

山西沁東能源有限公司東大礦中央進風(fēng)大巷井+25.95～+125.226 m，工作面西北方向中央回風(fēng)大巷(正掘)，西南方向矸石存車線(已掘)、溜矸斜巷(未掘)、+120井底車場(主、回貫通措施巷)(已掘)，東南方向膠輪車存車硐室(未掘)、中央輔運大巷(正掘)。中央進風(fēng)大巷布置在泥巖和砂質(zhì)泥巖中，巖層內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，屬于軟弱-半堅硬類，且巷道掘進區(qū)域小構(gòu)造相對發(fā)育，巷道斷面為半圓拱形，斷面凈寬×凈高=5.0 m×4.2 m，屬大斷面，現(xiàn)為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，基于類似工程背景，擬采用錨網(wǎng)噴支護。為保障各項支護參數(shù)合理，確保支護效果，特進行巷道支護方案設(shè)計。

2 錨網(wǎng)索支護參數(shù)分析

2.1 支護方案優(yōu)選

為有效確定巷道錨網(wǎng)索合理的支護參數(shù)，通過采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行不同支護方案的對比分析，基于中央進風(fēng)大巷的地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型長×寬×高=50 m×50 m×50 m，模型底部邊界固定，上部邊界施工等效荷載，左右邊界限制在X軸方向的位移[1-3]。結(jié)合鄰近巷道掘進施工時的現(xiàn)場工程經(jīng)驗，設(shè)計3種方案進行對比分析，具體模擬方案見表1。

表1 模擬方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，具體進行不同支護方案下圍巖變形特征、圍巖應(yīng)力特征和塑性區(qū)分布特征的分析，具體如下：

1) 圍巖變形特征：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出巷道不同支護方案下圍巖水平和垂直位移分布，如圖1所示。

圖1 不同支護方案下圍巖變形分布等值線

分析圖1可知，巷道在采用支護方案一時，巷道頂板下沉量為210 mm，左右兩幫變形量為460 mm；巷道采用支護方案二時，頂板下沉量為170 m，巷道左右兩幫變形量降低為分別降低為280 mm和290 mm，圍巖變形量呈現(xiàn)一定幅度的降低，但圍巖整體變形量仍較大；當(dāng)巷道采用方案三進行支護時，巷道頂板下沉量降為99 mm，左右兩幫變形量分別降為130 mm和131 mm，圍巖變形降幅顯著，圍巖變形量產(chǎn)生較大幅度降低的主要原因為錨索長度增大、間排距縮小后，充分錨固在頂板細(xì)粒砂巖穩(wěn)定巖層內(nèi)，錨固效果顯著，提升了頂板的主動支護能力，另一方面，巷道錨桿間排距的縮小，提升了淺部圍巖破碎圍巖體的整體性。

2) 圍巖應(yīng)力分布特征：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出巷道在不同支護方案下圍巖垂直應(yīng)力分布等值線圖，如圖2所示。

圖2 不同支護方案下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

分析圖2可知，巷道在采用方案一進行支護時，巷道兩幫及頂?shù)装迳畈看嬖谥^大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，頂部2～3 m的范圍內(nèi)存在1個拱形應(yīng)力降低區(qū)，頂?shù)装寮皟蓭驮谙锏? m深度處達到原巖應(yīng)力；在采用方案二進行支護時，在巷道表面2～3 m處圍巖應(yīng)力達到原巖應(yīng)力，巷道頂部1～2 m的范圍內(nèi)存在1個應(yīng)力降低區(qū)域，且隨著巷道圍巖深度的增大，圍巖在深部的應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸增大，相較于方案一，巷道底板兩底角處的應(yīng)力集中呈現(xiàn)出一定程度的降低；巷道采用支護方案三時， 巷道兩幫在2～3 m的位置處達到原巖應(yīng)力，頂板上部2 m范圍內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，相較于方案一和方案二，巷道底板圍巖的淺部應(yīng)力增高區(qū)域降幅明顯，圍巖應(yīng)力分布均勻。

綜合上述圍巖變形及應(yīng)力分布特征分析，確定巷道合理的支護方案應(yīng)選擇方案三。

2.2 錨桿索錨固參數(shù)分析

1) 錨桿錨固參數(shù)：根據(jù)本次巷道支護方案中，錨桿采用D22 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿的錨固參數(shù)計算公式如下[4-5]：

Fc100=0.1π·dh·τc
Fs100=0.1π·dh·τs

(1)

式中：Fc100為煤巖體內(nèi)每100 mm孔長的錨固力；Fs100為樹脂錨固劑每100 mm孔長的錨固力；τc為煤巖體的抗剪強度；τs為樹脂錨固劑的抗剪強度；dh為錨桿孔直徑。根據(jù)巷道地質(zhì)條件，確定τc=1.14 MPa，dh=28 mm，τs=6.5 MPa。據(jù)此計算得出錨孔的錨固力為10 kN，樹脂錨固劑錨固力為57.1 kN。

巷道頂板及兩幫錨固長度計算公式如下[6]：

(2)

式中：l錨固為錨桿的錨固長度；Q為錨桿錨固力；計算得出頂板和兩幫的錨固長度分別為1 000 mm和900 mm。確定本次錨桿支護采用Z2350型中速樹脂錨固劑，為方便施工，確定頂板及兩幫錨固長度均為1 000 mm。

2) 錨索錨固參數(shù)：本次巷道錨索采用D22 mm×8 300 mm的1×7股鋼絞線，根據(jù)錨索型號，確定錨索設(shè)計荷載為256 kN，錨索錨固長度計算公式如下：

(3)

式中：La1和La2均為錨索錨固長度；K為安全系數(shù)，取1.5；n為錨索根數(shù)，取1；d為鋼絞線直徑，取22 mm；D為鉆孔直徑，取28 mm；fa和fb分別為錨索與錨固劑的粘結(jié)強度及樹脂與孔壁的粘結(jié)度，fa=10 MPa、fb=3 MPa。取La1和La2計算結(jié)果的最大值為錨索錨固長度，基于計算結(jié)果確定錨索錨固長度為1.5 m。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護方案

根據(jù)中央進風(fēng)大巷具體地質(zhì)條件，結(jié)合錨桿索支護參數(shù)分析結(jié)果，確定巷道采用錨網(wǎng)噴支護，具體支護參數(shù)如下：

1) 錨桿參數(shù)：錨桿采用桿體為D22 mm左旋無縱筋超高強度螺紋鋼錨桿，長度2 400 mm，桿尾螺紋為M22，型號為MSGLW-500/22×2 400(簡稱：超高強度錨桿)。錨固方式為樹脂加長錨固，錨固長度為不小于1 000 mm，錨桿間排距800 mm×800 mm，頂部及拱部錨桿共11根。幫錨桿：兩幫各布置2根錨桿，起錨高度不大于400 mm，錨桿布置時均垂直于巖體打設(shè)；預(yù)緊力矩不小于400 N·m。

2) 錨索參數(shù)：采用型號均為SKP22-1/1860-8 300 mm的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線， 錨索與頂板巖面角度為90°，每排布置3根錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm，沿拱部中心線對稱布置；錨索錨固方式采用樹脂端式錨固，錨固長度1 500 mm，預(yù)緊力不小于290 kN。

3) 網(wǎng)片規(guī)格及參數(shù)：巷道采用鋼筋網(wǎng)片進行護頂，網(wǎng)片規(guī)格型號為GW6.5/100-3 000×1 100，采用直徑為6.5 mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)片規(guī)格為(長×寬)=3 000 mm×1 100 mm，網(wǎng)孔規(guī)格100 mm×100 mm。網(wǎng)與網(wǎng)之間采用勾接形式連接，勾接長度100 mm。

4) 噴混凝土參數(shù)：巷道噴射混凝土的厚度為150 mm，混凝土干料配合比為：水泥∶石子∶黃沙=1∶2∶2(重量比)，水灰比=0.45，混凝土標(biāo)號C25。水泥、石子、黃沙采用體積比進行混配，速凝劑摻合量為水泥重量的6%.

5) 巷道鋪底：鋪底厚度為150 mm，混凝土強度等級為C30。

具體中央進風(fēng)大巷支護參數(shù)如圖3所示。

圖3 中央進風(fēng)大巷支護斷面(mm)

3.2 效果分析

中央進風(fēng)大巷掘進期間，在巷道掘進迎頭位置區(qū)域設(shè)置圍巖變形觀測點，圍巖變形觀測采用十字布點法，根據(jù)觀測結(jié)果繪制出圍巖變形曲線，如圖4所示。

圖4 巷道掘進期間圍巖變形曲線

分析圖4可知，中央進風(fēng)大巷掘進期間，圍巖變形量主要出現(xiàn)在巷道掘出后的0～25 d內(nèi)，當(dāng)巷道掘進25 d后，圍巖變形速率大幅下降，巷道掘出30 d后，圍巖達到穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟烤辉僮兓?，最終頂?shù)装寮皟蓭鸵平康淖畲笾捣謩e為52 mm和75 mm，由于巷道高度較大，兩幫圍巖存在部分處于軟弱泥巖層內(nèi)，故而導(dǎo)致兩幫圍巖變形量大于頂?shù)装逡平俊＞C合上述分析可知，巷道在現(xiàn)有支護方案下，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語

根據(jù)中央進風(fēng)大巷的地質(zhì)條件，通過錨桿索支護參數(shù)的計算分析，確定合理的錨桿索支護方案。結(jié)合巷道具體條件，進行巷道錨網(wǎng)噴支護參數(shù)的設(shè)計分析，根據(jù)巷道掘進期間的圍巖變形觀測結(jié)果可知，巷道現(xiàn)有支護方案保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。