李寶龍

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司 ，山西 陽(yáng)泉 045008）

地下空間開挖將本來(lái)處于三維受力狀態(tài)的巖石變成了二維受力狀態(tài)，巖石受力狀態(tài)發(fā)生了變化，其穩(wěn)定性被打破，所以，控制開挖巖體的穩(wěn)定是保證地下空間作業(yè)的前提。錨桿支護(hù)以其主動(dòng)支護(hù)的方式在巷道應(yīng)用逐漸普遍，但在復(fù)雜高應(yīng)力地質(zhì)條件下，單一的錨桿常不能達(dá)到圍巖穩(wěn)定性的要求。近年來(lái)，基于傳統(tǒng)錨桿支護(hù)發(fā)展出了錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)。錨網(wǎng)噴支護(hù)技術(shù)綜合發(fā)揮了錨網(wǎng)支護(hù)和噴漿支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)煤礦巷道圍巖控制效果良好。本文將錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于陽(yáng)煤五礦，基于頂板巖性探測(cè)分析，研究錨網(wǎng)和噴漿支護(hù)參數(shù)，并將設(shè)計(jì)方案用于工程現(xiàn)場(chǎng)。

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)五礦地面標(biāo)高為870～1030m，8#煤試采工作面集中回風(fēng)巷在520水平巷道底板距離13#煤頂板5m進(jìn)行施工至590水平揭露8#煤，該巷道主要服務(wù)于構(gòu)建西北翼8#采煤工作面運(yùn)輸及回風(fēng)系統(tǒng)?；仫L(fēng)巷北部為無(wú)采掘巷道，南部為8133綜放工作面（未掘），西部為8134綜放工作面（未掘），東部為8#煤試采工作面集中進(jìn)料巷（已掘）。該巷道穿越石炭系上統(tǒng)太原組，石炭系上統(tǒng)太原組（C3t0為井田內(nèi)主要含煤地層，層厚89.72～109.57m，平均99.65m。主要由深灰～灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖夾煤層及石灰?guī)r層組成。巷道處于背斜翼部，局部可能存在傾角變化較大等情況造成巷道頂板巖層破碎、跨落等情況。尤其在動(dòng)壓影響下巷道圍巖控制難度較大。

2 支護(hù)方案數(shù)值模擬研究

2.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及參考相鄰礦井的支護(hù)方案，以巷道煤巷掘進(jìn)段為背景，決定選取三種不同支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析研究。

方案1：錨索規(guī)格為φ17.8×5200mm，頂板布置3根錨索，間排距為2000×1000mm；巷幫布置4根錨桿，錨桿規(guī)格為φ20×2400mm，間、排距均為1000mm。

方案2：錨索及錨桿規(guī)格與方案1相同，頂錨索布置4根，間排距為1500×1000mm；巷幫布置4根錨桿，間、排距均為1000mm，頂板和幫部均滿鋪鋼筋網(wǎng)。

方案3：錨索及錨桿規(guī)格與方案1相同，頂錨索布置5根，間排距為1300×950mm；巷幫布置4根錨桿，間、排距均為950mm，頂板和幫部均滿鋪鋼筋網(wǎng)，同時(shí)在巷道頂板和兩幫均噴射C30混凝土，噴射厚度為100mm。

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)該礦的具體地質(zhì)條件，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行上述三種支護(hù)方案的模擬研究。模型尺寸為40m×50m×100m，巷道斷面為矩形，寬度為5.8m，高度為3.7m。將上述三種支護(hù)方案分別應(yīng)用于該集中回風(fēng)巷，通過(guò)巷道垂直位移和水平位移分析三種支護(hù)方案的控制效果。三種方案的巷道圍巖位移如圖1所示。

圖1 不同支護(hù)方案下圍巖位移

由圖1可知，方案1、方案2和方案3的垂直位移分別為154mm、112mmm和65mm；方案1、方案2和方案 3的水平位移分別為 136mm、106mm和70mm。通過(guò)對(duì)比可以明顯看出，減小錨桿索間排距并采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)，可有效控制該集中回風(fēng)巷圍巖變形，決定選取錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)該集中回風(fēng)巷圍巖進(jìn)行控制。

3 支護(hù)方案確定

3.1 支護(hù)方案確定

1）巖巷段，斷面為拱形斷面：頂板采用錨索、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴砼聯(lián)合支護(hù)；錨索采用φ17.8×5200mm的鋼絞線，錨索托板使用材質(zhì)為Q235的拱形托盤，規(guī)格為300×300×12mm，拱高不低于56（±2mm）配套調(diào)心球墊及KM18鎖具承載，錨索間、排距均為1000mm，布置4根錨索，頂板滿鋪鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為1100×2200mm。所有巷道噴射C20混凝土，噴厚100mm。

巷道幫部采用錨桿、鋼筋網(wǎng)噴砼聯(lián)合支護(hù)；巷道每幫打注4根φ20×2400mm麻花鋼錨桿，每根錨桿配MSCKΦ23×800mm超快速藥卷錨固，端頭帶材質(zhì)為Q235的拱形托盤，規(guī)格為150×150×8mm，拱高不低于34配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊片，錨桿間、排距均為1000mm，斷面最下排錨桿距離底板為250mm，幫部滿鋪鋼筋網(wǎng)，規(guī)格為1100×2600mm。噴射C20混凝土，噴厚為100mm。支護(hù)斷面圖如圖2所示。

圖2 巖巷段巷道支護(hù)斷面圖

2）煤巷段，巷道斷面為矩形斷面，頂板采用錨索、W型鋼帶、金屬網(wǎng)、加強(qiáng)錨索及噴砼聯(lián)合支護(hù)；錨索采用φ17.8×5200mm的鋼絞線，鋼帶采用5600×280×4mm的5眼鋼帶，W型鋼帶配套規(guī)格為300×270×12mmW形拱形托盤配套調(diào)心球墊及KM18鎖具承載。錨索排距0.95m，間距1.3m；頂板滿鋪金屬網(wǎng)，規(guī)格為1100×5600mm。加強(qiáng)錨索使用φ17.8×8200mm的鋼絞線與規(guī)格為300×300×12mm拱形托盤配套調(diào)心球墊及KM18鎖具承載，自巷中向兩邊各偏移0.8m對(duì)稱布置。每根錨索配MSCKφ23×1000mm超快速藥卷錨固，噴射C20混凝土，噴厚為100mm。

巷道幫部采用錨桿、金屬網(wǎng)噴砼聯(lián)合支護(hù)；巷道每幫打注4根φ20×2400mm麻花鋼錨桿，每根錨桿配MSCKφ23×600mm超快速藥卷錨固，端頭帶300×270×12mmW形拱形托盤配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊片及450×280×4mmW鋼護(hù)板錨索同排布置，錨桿間、排距均為0.95m；幫部滿鋪金屬網(wǎng)，規(guī)格為1100×2600mm。噴射C20混凝土，噴厚為100mm。支護(hù)斷面圖如圖3所示。

3.2 采用計(jì)算法校核支護(hù)參數(shù)

3.2.1 頂、幫錨桿長(zhǎng)度校核和頂錨桿間、排距校核

圖3 煤巷段巷道支護(hù)斷面圖

1）頂錨桿通過(guò)懸吊作用，幫錨桿通過(guò)加固幫體作用，達(dá)到支護(hù)效果的條件，應(yīng)滿足：

式中：L為錨桿總長(zhǎng)度，單位：m；L1為錨桿外露長(zhǎng)度（包括網(wǎng)、托片、外露長(zhǎng)度、螺母厚度），單位：m；6+8+40+20=74mm=0.074m（頂）；16+10+40+20=86mm=0.086m（幫）L2為有效長(zhǎng)度（頂錨桿取圍巖松動(dòng)圈冒落高度b，幫錨桿取幫破碎深度c），單位：m；

式中：L3為錨入巖(煤)層內(nèi)深度(頂取 0.8、幫取0.6)，單位：m

其中圍巖松動(dòng)圈冒落高度：

式中：B、H為巷道掘進(jìn)巷寬、巷高，B取5.8m，H取4.3m；f頂為頂板巖石普氏系數(shù)，取4；ω為兩幫圍巖的似內(nèi)摩擦角，ω=arctan（f巖體），ω=76

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得： b=0.85m；c=0.53m

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證幫錨桿應(yīng)滿足：L≥L1+L2+L3

頂錨桿：L1+L2+L3=0.074+0.85+0.8=1.724＜L=2.4，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

幫錨桿：L1+L2+L3=0.086+0.53+0.6=1.216＜L=2.4，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

2）校核幫錨桿間、排距：應(yīng)滿足：

式中：α為錨桿間、排距，單位：m；G為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，kN/根；G頂取74kN/根；k為安全系數(shù)，一般取 2；L2為有效長(zhǎng)度，頂：0.85m、幫 0.53m；Γ 為巖體容重（t/m3）；取 21.6kN/m3

則：α頂=1.42，實(shí)際錨桿間排距α值為1.0m＜1.42m，

α幫=1.79，實(shí)際錨桿間排距α值為1.0m＜1.79m，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

3.2 .2 錨索長(zhǎng)度校核和錨索數(shù)目的校核

1）加強(qiáng)錨索長(zhǎng)度校核，應(yīng)滿足：

式中：L為錨索總長(zhǎng)度，單位：m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，m。

式中：K為安全系數(shù)，取2；d1為錨索直徑，取0.0178m；fa為錨索抗拉強(qiáng)度，1860N/mm2；

fc為錨索與錨固劑的粘合強(qiáng)度，15N/mm2

代入數(shù)據(jù)可得：La=1.10m

Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，單位：m；取3m(經(jīng)巖性探測(cè))；Lc為托板與錨具的厚度，單位：m，取0.067；Ld為外露張拉長(zhǎng)度，單位：m，取 0.2m

La+Lb+Lc+Ld=1.1+3+0.067+0.2=4.367m，實(shí)際錨索長(zhǎng)度為5.2m＞4.367m，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

2）加強(qiáng)錨索數(shù)目的校核，應(yīng)滿足：

式中：N為錨索數(shù)目，單位：根；K為安全系數(shù)，取最小值 2；P斷為錨索最低破斷力，單位：kN，取355kN；W—被懸吊巖石的自重，單位：kN。

式中：B為巷道掘進(jìn)荒寬，單位：m，取5.8m；D為錨索排距，單位：m，取1m；Σh為懸吊巖石厚度，單位：m，取2.5m；Σγ為懸吊巖石平均容重，單位：kN/m3，取 21.6kN/m3。

代入數(shù)據(jù)得N=3.53;設(shè)計(jì)錨索每排5根，大于3.53，符合設(shè)計(jì)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

將上述設(shè)計(jì)的錨網(wǎng)噴支護(hù)方案應(yīng)用于陽(yáng)煤五礦8#煤試采工作面集中回風(fēng)巷，對(duì)巷道進(jìn)行觀測(cè)，直至巷道變形趨于穩(wěn)定。巖巷段圍巖變形很小，煤巷段圍巖變形觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，觀測(cè)時(shí)間0～18d過(guò)程中，隨著觀測(cè)時(shí)間的推移，巷道頂?shù)装遄冃魏蛢蓭妥冃屋^快；觀測(cè)21d之后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃沃饾u趨于穩(wěn)定；觀測(cè)點(diǎn)的巷道頂?shù)装逦灰屏孔畲鬄?9mm，兩幫為33mm；巷道最大頂?shù)装遄冃瘟亢妥畲髢蓭妥冃瘟烤谠试S的范圍內(nèi)。說(shuō)明，該錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)較合理。

圖4 觀測(cè)點(diǎn)巷道圍巖變形量

5 結(jié)論

1）根據(jù)頂板巖性探測(cè)結(jié)果分析支護(hù)參數(shù)，能夠?yàn)橄锏乐ёo(hù)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)?；仫L(fēng)大巷巖巷段采用拱形斷面，煤巷段采用矩形斷面分別掘進(jìn)，巷道圍巖采用錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

2）煤巷段觀測(cè)點(diǎn)的巷道頂?shù)装逦灰屏孔畲鬄?9mm，兩幫為33mm；巷道最大頂?shù)装遄冃瘟亢妥畲髢蓭妥冃瘟烤谠试S的范圍內(nèi)。說(shuō)明，該錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)較合理。