馮月新

大同礦區(qū)石炭系地質(zhì)構(gòu)造擠壓帶傾斜煤層巷道支護(hù)

馮月新

針對(duì)大同礦區(qū)石炭系地質(zhì)構(gòu)造擠壓帶巷道支護(hù)難題，對(duì)整體錨固結(jié)構(gòu)形成的各部位的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)整體錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)方案與普通支護(hù)進(jìn)行了分析比較，提出了符合實(shí)際的支護(hù)參數(shù)并實(shí)施，試驗(yàn)效果較好。

地質(zhì)構(gòu)造擠壓帶；整體錨固結(jié)構(gòu)；巷道支護(hù)

大同礦區(qū)白洞煤業(yè)公司C5#煤層掘進(jìn)的5102巷道，由于巷道位置靠近煤層露頭線(xiàn)和向斜構(gòu)造的向斜軸及斷層帶，煤層傾角大（最大40°），圍巖受向斜構(gòu)造及斷層的影響嚴(yán)重，煤體裂隙發(fā)育、非常破碎，圍巖極易冒落。在這樣的地質(zhì)條件下，如何進(jìn)行巷道的穩(wěn)定性控制便成為工程中迫切需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)對(duì)圍巖是一種綜合性作用，除了具有可以改善圍巖受力狀態(tài)、提高圍巖承載能力、錨固松動(dòng)巖體等基本功能外，由錨桿、被錨固圍巖共同組成的錨固結(jié)構(gòu)還具有很強(qiáng)的承載能力，且對(duì)圍巖變形具有很好的適應(yīng)性。在對(duì)5102巷進(jìn)行加固時(shí)，首選預(yù)應(yīng)力錨桿，以整體錨固結(jié)構(gòu)理論為指導(dǎo)進(jìn)行支護(hù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的效果。

整體錨固結(jié)構(gòu)中的頂板承載結(jié)構(gòu)層近似于一個(gè)兩端固定支撐的梁，只不過(guò)在煤層這種多節(jié)理、裂隙的介質(zhì)中，這種梁形成的力學(xué)條件不同于組合梁理論，它是依靠錨桿預(yù)緊力在煤體中產(chǎn)生的橫向擠壓作用形成的。

形成整體錨固結(jié)構(gòu)需要的頂板錨桿（垂直頂板安裝）的預(yù)緊力可按照下式計(jì)算：

1 整體錨固結(jié)構(gòu)的形成條件

頂、幫錨固體形成整體錨固結(jié)構(gòu)，能克服普通錨固結(jié)構(gòu)存在角部薄弱環(huán)節(jié)的缺陷，一定程度上可防止兩幫沿頂、底發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而向巷道擠入，從而減小巷道變形，更大限度地改善錨固區(qū)圍巖的受力狀態(tài)，從而提高錨固結(jié)構(gòu)的徑向剛度，增強(qiáng)錨固結(jié)構(gòu)對(duì)深部圍巖的徑向約束，使巷道圍巖的穩(wěn)定性得到改善。對(duì)全煤巷道錨桿支護(hù)的相似模擬研究成果表明，錨桿布置方式不同，圍巖的加固效果也會(huì)有所不同，錨桿加固后以在圍巖中形成整體拱形錨固結(jié)構(gòu)（圖1b） 為最佳，形成框形整體錨固結(jié)構(gòu)（圖1a）次之。整體錨固結(jié)構(gòu)理論對(duì)錨桿施加在圍巖上的預(yù)緊力依賴(lài)程度很高。

式中：P——錨桿預(yù)緊力；

q——巷道頂壓集度；

b——巷道跨度；

k0——圍巖的二維裂隙度；

c——圍巖的內(nèi)聚力；

μ——圍巖的泊松比；

L2——錨桿有效長(zhǎng)度；

a——錨桿間（排）距；

φ——圍巖內(nèi)摩擦角；

π——圓周率。

形成整體錨固結(jié)構(gòu)需要的頂角錨桿（位于頂板角部，向垂直方向外偏α0角度安裝）的預(yù)緊力Pj按照

下式計(jì)算：

形成整體錨固結(jié)構(gòu)需要的幫錨桿（水平方向或垂直兩幫安裝）的預(yù)緊力按照下式計(jì)算：

式中：Pb——幫錨桿預(yù)緊力；

h——巷道高度；

RC——兩幫圍巖的平均單軸抗壓強(qiáng)度；

n0——兩幫錨桿根數(shù)；

f——φ的正切函數(shù)值；

l2——幫錨桿的有效長(zhǎng)度。

形成整體錨固結(jié)構(gòu)需要的偏轉(zhuǎn)一定角度安裝的靠近頂?shù)捉堑膸湾^桿需要的預(yù)緊力Pbj按照下式計(jì)算：

式中β0為靠近頂、底角的幫錨桿與水平方向或垂直幫的方向之間的夾角，其余符號(hào)同前。

2 不同支護(hù)方案模擬分析

利用數(shù)值模擬手段就兩種典型的錨固結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2），即整體錨固結(jié)構(gòu)和普通錨固結(jié)構(gòu)以及無(wú)支護(hù)條件下圍巖的應(yīng)力狀態(tài)及變形特征進(jìn)行對(duì)比分析。

模擬時(shí)模型尺寸取為40 m×40 m，巷道尺寸為4.2 m×3.3 m，頂板錨桿長(zhǎng)度為2.4 m，兩幫錨桿長(zhǎng)度為2.0 m。

從拉、壓應(yīng)力區(qū)分布特征看，整體錨固結(jié)構(gòu)使更大范圍的巷道圍巖處于壓縮應(yīng)力狀態(tài)，更適合巖體抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度的力學(xué)特征，有利于保持巷道圍巖的穩(wěn)定性。從應(yīng)力分布特征看，整體錨固結(jié)構(gòu)和普通錨固結(jié)構(gòu)的作用都使圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了一定的改變，整體錨固結(jié)構(gòu)在巷道角部的結(jié)構(gòu)特性使頂、幫錨固體在兩端邊界處更接近于固定約束（彎矩及切向支反力均較大），從而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗彎曲變形特性；而普通錨固結(jié)構(gòu)的頂、幫錨固體在兩端邊界處所受的約束則相對(duì)較弱，因而表現(xiàn)出更明顯的彎曲變形現(xiàn)象。從圍巖應(yīng)變、變形特征上看，整體錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)條件下的位移小于普通錨固結(jié)構(gòu)條件下的位移。整體錨固結(jié)構(gòu)在巷道幫、頂交接范圍內(nèi)位移的控制明顯優(yōu)于普通錨固結(jié)構(gòu)。

綜合分析數(shù)值模擬各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以判斷：整體錨固結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果優(yōu)于普通錨固結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案確定

鑒于支護(hù)對(duì)象結(jié)構(gòu)的特殊性，錨桿支護(hù)時(shí)需要輔以金屬網(wǎng)、W鋼帶及鋼筋托梁，并在巷道頂板用錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

具體支護(hù)方案為：錨桿+金屬網(wǎng)+W鋼帶（頂）+鋼筋梯（幫）+錨索補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析計(jì)算后，最終的支護(hù)參數(shù)為：

頂錨桿長(zhǎng)度2.4 m，幫錨桿長(zhǎng)度2.2 m，錨桿直徑22 mm；錨索為7股φ5 mm高強(qiáng)度鋼絞線(xiàn)組成，長(zhǎng)度為8.3 m。

見(jiàn)第12頁(yè)圖3，4，5。

4 現(xiàn)場(chǎng)效果分析

5102 巷于2009年12月1日開(kāi)始施工，2010年6月27日完成掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)總長(zhǎng)度1 656 m，圍巖全部采用項(xiàng)目研究的支護(hù)方案及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)；2010年8月～2011年2月，完成了白洞煤業(yè)公司同樣位于向斜構(gòu)造擠壓帶內(nèi)的5104巷和5106巷的掘進(jìn)施工，2條巷道掘進(jìn)進(jìn)尺分別為1 700 m和1 680 m。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，上述巷道穩(wěn)定狀態(tài)滿(mǎn)足生產(chǎn)使用要求，取得了較好效果。

Carboniferous Roadway Supporting Technology of Geological Tectonic Compression Belt in carboniferous System of Datong Coal Mine

Feng Yuexin

Aiming at the problem of roadway supporting about carboniferous geological tectonic compression belt in Datong Coal Mine,this paper analyses the supporting parameters in different parts of the integral anchorage structure,compares the integral anchor structure supporting with common supporting.It puts forward practical supporting parameters and puts into practice,and the experimental effect is good.

geological tectonic compression belt;integral anchorage structure;roadway supporting

TD353

A

1000-4866（2011）04-0010-03

馮月新，男，1964年12月出生，碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，現(xiàn)任大同煤礦集團(tuán)公司副總工程師。曾獲中國(guó)煤炭工業(yè)科技獎(jiǎng)和中國(guó)安全生產(chǎn)科技成果獎(jiǎng)多項(xiàng)。

2011-09-22

2011-10-13