于元林皖北煤電集團有限公司, 安徽宿州 234000

錨網(wǎng)—錨索聯(lián)合支護在馬頭門巷道中的應(yīng)用

于元林
皖北煤電集團有限公司, 安徽宿州 234000

根據(jù)馬頭門實際揭露的具體巖性，選用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護方式,并用FLAC3D模擬軟件進行了參數(shù)優(yōu)化，不僅有效地控制了馬頭門大斷面交岔點等難點區(qū)域的支護問題,而且施工簡便、快速承載、快速支護,有效地控制了頂板變形, 確保馬頭門工程的安全、經(jīng)濟，對礦井建設(shè)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

馬頭門；聯(lián)合支護；錨索；錨網(wǎng)

Ingate；combined supp；ortbolt-Steel；mesh-Anchor

引言

馬頭門巷道位于井筒與大巷的交接部位，是礦井的咽喉部位。馬頭門巷道設(shè)計斷面大、服務(wù)年限長，使馬頭門巷道在礦山井巷工程中占據(jù)了十分重要的地位。另外，馬頭門同時關(guān)聯(lián)到井筒附近多個硐室，如箕斗裝載峒室、煤倉、管子道、等候室、水泵房、水倉、變電所等，使馬頭門圍巖的力學狀態(tài)十分復(fù)雜，支護十分困難。尤其是相鄰峒室的施工將對馬頭門圍巖產(chǎn)生擾動，將直接影響到馬頭門的支護。近年來，由于種種原因?qū)е律罹R頭門支護失效的工程事故常有發(fā)生，比如淮北礦業(yè)集團渦北礦風井、國投新集劉莊礦西部井馬頭門、山東唐口礦馬頭門等等。馬頭門的破壞給礦山井巷工程的工期和經(jīng)濟帶來了嚴重的影響，因此，應(yīng)該對馬頭門工程實施信息化施工技術(shù)，監(jiān)測馬頭門圍巖位移和支架受力及變形特性，及時采取對策，確保馬頭門工程的安全、經(jīng)濟，對礦井建設(shè)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 工程概況

錢營孜煤礦主井馬頭門底板位于-649.67m 處,巷道凈寬5.0m,凈高4.85m,全長20m。原設(shè)計為鋼筋混凝土支護，由于馬頭門上部40m處的裝載硐室后期施工的擾動，可能對馬頭門的穩(wěn)定性造成影響，而且一旦馬頭門混凝土碹發(fā)生破壞則維修相當困難，因此在借鑒國內(nèi)已經(jīng)在同類工程中取得的成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，在原設(shè)計支護方式的基礎(chǔ)上，優(yōu)化支護方式，即采用錨網(wǎng)_錨索聯(lián)合支護。支護效果及巷道變形情況將為后續(xù)巖石巷道支護方案的選擇與參數(shù)優(yōu)化提供重要的決策依據(jù)。

主井馬頭門位于層厚為4.50m的泥巖中，巷道頂板為粉砂巖，底部巖性為泥巖，粉砂巖中裂隙比較發(fā)育。

2 支護方案

借鑒國內(nèi)相似條件下的馬頭門支護的成功經(jīng)驗，對于該主井馬頭門采用錨網(wǎng)-錨索聯(lián)合支護技術(shù)來保證馬頭門巷道圍巖的穩(wěn)定，支護參數(shù)通過數(shù)值模擬計算來選定。本次模擬中，對于巖石的本構(gòu)模型采用了Hoek-Brown本構(gòu)模型。

計算模型取寬60m、高60m，縱向16.8m的一段巷道進行分析，能夠滿足8個開挖段的施工長度要求，又具有代表性。巷道開挖斷面尺寸為：寬5.0m，豎墻高：2.35m，拱頂圓弧半徑2.5m。計算模型的位移邊界條件是：在模型底邊施加豎向位移約束，在模型左右豎向邊界面施加水平位移約束，在模型的前后豎向邊界面施加前后的水平位移約束。

開挖完每一段巷道巖體后，圍巖的應(yīng)力釋放，圍巖產(chǎn)生變形，之后馬上進行錨網(wǎng)噴施工?；炷羾妼雍?20mm，錨桿間排距700mm，錨桿長度2.5m。錨桿、錨索采用cable單元模擬，混凝土噴層采用shell 單元模擬，并選擇三種支護方案來進行比較。方案1．錨桿間排距為700mm，錨桿長度為2.5m時；方案2：錨桿間排距為800mm，錨桿長度為2.5m時；方案3：錨桿間排距為800mm，錨桿長度為2.2m時。

為了分析巷道變形破壞規(guī)律方便，只選擇馬頭門開挖支護后的垂直應(yīng)力與塑性區(qū)進行分析，方案1、2、3的結(jié)果分別如圖1～圖3所示。

圖1 方案1模擬結(jié)果

圖2 方案2模擬結(jié)果

圖3 方案3模擬結(jié)果

從圖1（a）中可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在巷道肩角外側(cè)圍巖內(nèi)，如上圖中深藍色區(qū)域所示，最大垂直應(yīng)力為22.4 MPa ，此處為重點補強部位，采用了3 m 長的錨桿，約

束圍巖變形。巷道兩底角部位處應(yīng)力也較大應(yīng)加強支護，底板上出現(xiàn)拉應(yīng)力但較小。拱頂部位及底板大部分由于開挖卸壓應(yīng)力值較小。從圖1（b）中可以看出，塑性區(qū)內(nèi)主要為剪切應(yīng)力，紅色部分為曾經(jīng)受剪的部位，綠色部分為過去受剪現(xiàn)在仍然受剪的范圍，是主要的塑性區(qū)，主要分布在豎墻至巷道壁內(nèi)1.8m左右范圍內(nèi)，以及巷道底板以下1.6m左右范圍內(nèi)。而由圖2和圖3所知，方案2與方案3施工后，其垂直應(yīng)力并沒有多少改變，而方案2、方案3的塑性區(qū)范圍相比方案1來說依次增大。

由以上三種方案進行比較，當錨桿長度超過一定值（2m）之后錨桿的長短對于巷道圍巖應(yīng)力及位移的影響較小，錨桿的間排距對于巷道圍巖應(yīng)力及位移的影響較大。由數(shù)值模擬分析比較，錨桿間排距取為800mm 只是巷道位移比起700mm時稍有增長，但變形在允許的范圍內(nèi)，可考慮采用800mm的間排距。

3 支護效果評析

3.1 監(jiān)測元件的埋設(shè)

南北馬頭門均施工3m后，開始埋設(shè)位移計、鋼筋計、壓力盒、埋設(shè)位置選擇6個部位，分別選在馬頭門與井筒交接的正東正西側(cè)，南馬頭門西側(cè)距井筒2m處，南馬頭門東側(cè)距井筒1m處，北馬頭門東側(cè)2m處，北馬頭門西側(cè)距井筒1m處，2個接線盒分別設(shè)在南馬頭門西側(cè)距井筒1.5m處、北馬頭門西側(cè)距井筒1m處。

儀器埋設(shè)位置及元件編號如圖所示。隨后在南馬頭門的施工過程中，在距井筒中心部位6m和9m處分別針對錨、網(wǎng)、噴支護結(jié)構(gòu)中的肩窩、拱中和拱頂三個特殊部位錨桿的受力變化特性，建立了2個錨桿拉力監(jiān)測斷面，如圖4所示。

圖4 測點布置圖

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由于布置的測點較多，選擇南碼頭門西側(cè)位置處測站結(jié)果進行分析，鋼筋計、壓力盒、位移計的變化規(guī)律如圖5所示。

由圖5可知，鋼筋計數(shù)據(jù)變化知，巷道周邊主要存在剪力作用，導(dǎo)致鋼筋計數(shù)據(jù)減小，又因為水平壓力的影響，導(dǎo)致鋼筋計數(shù)據(jù)變大。豎直放置的鋼筋計數(shù)據(jù)減小，是因受到上部壓力的壓縮作用。由位移計變化數(shù)據(jù)知，巷道周邊受到減漲作用，讀數(shù)變化100u ε左右，屬于正常變化范圍。

4 結(jié)論

本文根據(jù)馬頭門的工程地質(zhì)概況，選用FLAC3D對巷道支護方案進行了模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果選擇支護參數(shù)，并進行了現(xiàn)場測試，錨網(wǎng)梁支護方案較好的控制了巷道圍巖的大變形，保持了巷道圍巖的穩(wěn)定性。

（1）巷道側(cè)幫較穩(wěn)定，應(yīng)力和位移都在允許變化范圍內(nèi)，但馬頭門拱頂處壓力很大，在錨索加強支護下，巷道基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過一年多的觀察，主井馬頭門巷道圍巖變形量很小，錨桿-錨索聯(lián)合支護較好地達到支護效果。

（2）通過計算，主井馬頭門共節(jié)省C50混凝土材料91.5m3，φ16的螺紋鋼159kg，φ18的螺紋鋼331.5kg，節(jié)約材料投資約4萬元。

（3）整個馬頭門工程施工工期縮短了20天。

圖5 南馬頭門西部測站變化情況圖

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Application of Combined Support with Bolt-Steel Mesh-Anchor in the Ingate

Yu Yuanlin Wanbei Coal and Electricity Group, Anhui Suzhou,234000

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.028

于元林，1983年生，男，漢族，安徽省泗縣人，工程師，2007年畢業(yè)于安徽理工大學能源與安全學院采礦工程專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)工作于皖北煤電集團有限公司，主要從事礦井建設(shè)技術(shù)及管理工作。