張照宇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦機(jī)掘三隊(duì)，山西 大同 037000）

引言

礦井巷道支護(hù)是開采生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)確定合理有效的支護(hù)方案前，需要綜合考慮以下幾方面：一是巷道支護(hù)的力學(xué)過程比較復(fù)雜，巷道支護(hù)包含有圍巖、支架兩個(gè)組成部分，圍巖是施力和受力的綜合體，不僅能夠約束圍巖變形，還能向巷道空間位移；二是多種因素作用會(huì)影響支架的變形與破壞，且影響程度是不確定的，影響因素有巷道的尺寸和形狀、巖體結(jié)構(gòu)、原巖應(yīng)力等，這些不同因素對(duì)巷道支架破壞的影響程度、影響過程是不同的；三是礦井巷道會(huì)受到采礦和回采動(dòng)壓的影響，不僅能夠加強(qiáng)巷道的支護(hù)，還能夠滿足巷道支護(hù)的使用時(shí)間，保證巷道支護(hù)使用的安全性；四是礦井巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案要滿足理論和實(shí)踐的相融合，巷道支護(hù)與圍巖應(yīng)力分布，與原巖應(yīng)力、圍巖和支架的作用都相互關(guān)聯(lián)[1]。目前，由于巷道支護(hù)多采用經(jīng)驗(yàn)判斷或是工程類比的方法，會(huì)出現(xiàn)巷道支護(hù)可靠性較低情況，使巷道的返修率高，這樣不僅會(huì)影響生產(chǎn)，同時(shí)又增加了巷道的支護(hù)成本[2]，因此，必須應(yīng)用好礦井巷道先進(jìn)的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合不同礦井實(shí)際，設(shè)計(jì)出合理有效的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案。本文主要對(duì)比分析矩形巷道支護(hù)優(yōu)化改為圓弧形巷道支護(hù)形式后，巷道支護(hù)效果的安全可行性，進(jìn)而達(dá)到有效控制巷道變形的目的，確保巷道支護(hù)系統(tǒng)的安全。

1 圍巖松動(dòng)圈的簡(jiǎn)要介紹

在礦井巷道開挖中，開挖周邊的圍巖首先出現(xiàn)破碎，并慢慢向圍巖深部擴(kuò)展，直至一定深度后再達(dá)到新的平衡狀態(tài)，此時(shí)，在巷道周圍就會(huì)形成以巷道圓弧中心為圓心的塑形區(qū)間的圓形區(qū)域，該塑形區(qū)間的大小不僅與巷道斷面尺寸有關(guān)，還與圍巖物理力學(xué)性能有關(guān)。因此，在礦井煤層巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中，就是要保證塑形區(qū)內(nèi)的巖體不會(huì)垮塌，也不會(huì)產(chǎn)生較大的變形?；谒蓜?dòng)圈的作用機(jī)理，其已被廣泛應(yīng)用在煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)中，尤其是應(yīng)用在圓弧拱形的巷道斷面形式中[3]。

依據(jù)松動(dòng)圈原理，巷道圍巖被開挖后，圍巖中出現(xiàn)的松弛破碎帶就是松動(dòng)圈，為獲得較好的錨桿支護(hù)效果，錨桿采用打穿松動(dòng)圈，實(shí)際錨桿長(zhǎng)度大于松動(dòng)圈內(nèi)塑形區(qū)的寬度，將塑形區(qū)內(nèi)的圍巖錨固到上層穩(wěn)定的巖層中，才能獲得更好的巷道支護(hù)效果[4]。

2 礦井煤層巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

本文以某礦為對(duì)象，其頂板是以泥巖和頁(yè)巖為主的巖性，還零散分布粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和粗砂巖，且煤層厚度為2.8～10.1 m，平均煤厚為6.64 m。

原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)是應(yīng)用以往巷道支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，即采用矩形斷面形式的巷道支護(hù)。由于在矩形巷道支護(hù)中，頂板會(huì)受到較大的壓力和彎矩而出現(xiàn)垮落，為實(shí)現(xiàn)巷道支護(hù)的穩(wěn)定和安全，錨桿必須采用打穿冒落拱，讓受擾動(dòng)的巖體能夠懸吊在堅(jiān)硬的巖層上。因此，設(shè)計(jì)為：頂板全部采用錨桿+錨索+鋼筋梯+菱形金屬網(wǎng)+C30 混凝土的支護(hù)形式，其中，對(duì)于煤層頂板較厚的位置，可適當(dāng)應(yīng)用加長(zhǎng)錨索或者更長(zhǎng)的錨索進(jìn)行支護(hù)，最大限度地發(fā)揮錨索的錨固力，此外，還采用菱形金屬網(wǎng)對(duì)巷道表面圍巖進(jìn)行控制，并在鋼筋梯的固定下使其緊貼巖壁。矩形巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 原矩形斷面形式的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

對(duì)于巷道斷面形狀的選擇，還需要綜合考慮現(xiàn)有的支護(hù)狀況和支護(hù)條件，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)本礦煤層全部采用矩形斷面的巷道支護(hù)時(shí)，會(huì)使用大量的錨桿、錨索及組合錨索進(jìn)行巷道的支護(hù)，不僅浪費(fèi)支護(hù)材料，使支護(hù)成本增加，且支護(hù)效果也不明顯。同時(shí)，結(jié)合本礦煤層賦予條件以及原巖初始應(yīng)力場(chǎng)的基本情況，采用圓弧巷道的斷面形式進(jìn)行優(yōu)化支護(hù)，并取消錨索和組合錨索的使用，即采用錨桿+菱形金屬網(wǎng)+W 型鋼帶+噴射混凝土的支護(hù)形式，其中，同樣采用菱形金屬網(wǎng)對(duì)巷道表面圍巖進(jìn)行控制，并配合W 型鋼。優(yōu)化后的支護(hù)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后圓弧形斷面形式的巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

為驗(yàn)證優(yōu)化后支護(hù)設(shè)計(jì)方案的安全可行，將原矩形巷道采用的支護(hù)方式與圓弧巷道采用的支護(hù)形式進(jìn)行對(duì)比分析，主要模擬研究?jī)煞N狀態(tài)下頂?shù)装宓淖冃吻闆r，進(jìn)而確定優(yōu)化支護(hù)方案的合理性和實(shí)用性。

通過對(duì)比分析圓弧形巷道與矩形巷道支護(hù)形式下的頂板位移變化情況，得到圖3 所示的曲線。

圖3 中，對(duì)于圓弧形巷道優(yōu)化支護(hù)形式，頂板豎直方向上的最大位移值大小是24.0 mm，對(duì)于矩形巷道在原支護(hù)形式下，豎直方向上的最大位移值大小是27.31 mm。通過對(duì)比可知，圓弧形巷道在現(xiàn)有的支護(hù)條件下豎直方向上的變形量小于矩形巷道。雖然矩形巷道增加了錨索作用效果，但還是沒有圓弧形巷道能夠更好地控制巷道頂板的下沉，綜上可知，選擇合理的巷道斷面形式，對(duì)控制圍巖頂板下沉變形有著重要的影響。

圖3 對(duì)比圓弧形巷道和矩形巷道支護(hù)形式下的頂板位移量

同樣，通過對(duì)比分析圓弧形巷道與矩形巷道支護(hù)形式下的底板位移變化情況，得到圖4 所示的曲線。

圖4 對(duì)比圓弧形巷道和矩形巷道支護(hù)形式下的底板位移量

圖4 中，對(duì)于圓弧形巷道優(yōu)化支護(hù)形式，底板方向上的最大位移值大小是3.56 mm，對(duì)于矩形巷道在原支護(hù)形式下，豎直方向上的最大位移值大小是5.84 mm，對(duì)比兩種狀態(tài)下的計(jì)算分析結(jié)果可知，圓弧形巷道最大底鼓范圍僅占全區(qū)的0.3%，而矩形巷道約占0.8%，且出現(xiàn)底鼓的范圍也比矩形巷道明顯要小。

3 結(jié)論

為選取合理的巷道斷面形狀，使圍巖受力均勻并降低圍巖的破壞。本文主要分析矩形巷道采用錨桿+錨索+鋼筋梯+菱形金屬網(wǎng)+C30 混凝土的支護(hù)形式，優(yōu)化改為圓弧形巷道采用錨桿+菱形金屬網(wǎng)+W 型鋼帶+噴射混凝土的支護(hù)形式后，模擬對(duì)比研究?jī)煞N狀態(tài)下頂?shù)装宓淖冃吻闆r，結(jié)論如下：

圓弧形巷道支護(hù)形式下的頂?shù)装遄冃瘟烤∮诰匦蜗锏?，且出現(xiàn)底鼓的范圍也比矩形巷道明顯要小，表明圓弧形巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案能夠減小圍巖的變形，支護(hù)效果安全有效。