韓棟棟

（山西忻州神達(dá)集團(tuán)晉保煤業(yè)有限公司，山西 保德 036600）

提高巷道穩(wěn)定性的高效低成本方式之一是錨桿（索）支護(hù)。地質(zhì)構(gòu)造、錨固劑和巖體黏結(jié)性能、錨桿（索）材質(zhì)、支護(hù)參數(shù)等因素直接決定了錨固效果，支護(hù)設(shè)計(jì)方案和參數(shù)主要以工程經(jīng)驗(yàn)為主，存在很大的不確定性和盲目性[1]。因此，本文以晉保煤礦采空區(qū)下大斷面13102 運(yùn)輸順槽巷道為工程背景，通過分析巷道失穩(wěn)破壞原因，對大斷面巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 工程概況

13102運(yùn)輸巷道位于井田西南部，東部為實(shí)體煤，南部為相鄰煤礦井田，西部為13101 回風(fēng)巷，北部為二水平輔運(yùn)下山，掘進(jìn)工作面沿13#煤上分層推進(jìn)。13#煤上分層頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖、粉砂巖；13102 運(yùn)輸巷道斷面為矩形，尺寸為4 m×5.7 m，傾角10°～13°；13#煤上分層距地表的深度為380 m，巷道上方53.8 m存在8#煤采空區(qū)；巷道沿13#煤上分層煤層掘進(jìn)，總工程量1 476 m。巷道頂?shù)装鍏?shù)見表1。

表1 巷道頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)

由于13102 運(yùn)輸順槽巷道上覆采空區(qū)，使巷道整體受力不均，在兩幫處受不均布載荷產(chǎn)生的彎扭破壞，較上覆無采空區(qū)巷道兩幫更易發(fā)生變形破壞；13102 運(yùn)輸巷道屬于大斷面巷道（5 700 mm×4 000 mm），頂板下部受彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用（巷道寬度越大產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大），且巷道寬度較大，更易發(fā)生變形破壞；因此，需通過計(jì)算優(yōu)化錨索網(wǎng)支護(hù)參數(shù)，以提升巷道穩(wěn)定性。

2 支護(hù)分析

當(dāng)開掘巷道后，頂板呈現(xiàn)固支梁的力學(xué)結(jié)構(gòu)[2]。經(jīng)過一段時間，梁向下彎曲，巷道形成拱狀結(jié)構(gòu)，巷道兩幫將承受彎扭共同作用，向內(nèi)彎曲[2]。因此，在掘進(jìn)巷道過程中，選擇恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)類型是十分重要的。

圖1 巷道受力變形

目前巷道的支護(hù)方式主要有錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)等。

錨桿支護(hù)，錨桿通過將破碎圍巖懸吊于上部穩(wěn)定巖層中以此來提高圍巖整體的抵抗破壞的能力[3]；錨索支護(hù)，將巖層受到破壞產(chǎn)生變形碎裂的部分吊掛在巷道頂部，以免頂部繼續(xù)發(fā)生不可逆變形破壞；錨網(wǎng)索協(xié)同支護(hù)，一邊通過錨桿深入圍巖來提高頂部巖層抵抗破壞的能力，一邊通過錨索懸吊破碎巖塊抑制頂部破壞，同時防止頂部繼續(xù)破壞[4]。

錨網(wǎng)索協(xié)同支護(hù)可有效提升巷道穩(wěn)定性。在錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)條件下，優(yōu)化選擇錨桿和錨索支護(hù)參數(shù)非常重要。

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

3.1 巷道圍巖破壞范圍

（1）巷道幫部破壞深度C，由式（1）確定：

式中：Kc為運(yùn)輸巷道的應(yīng)力集中系數(shù)（巷道受周邊擠壓發(fā)生應(yīng)力集中），1.8；γ為巷道頂板巖土層的平均容重，23 kN/m3；H為運(yùn)輸巷道距地表的深度，380 m；B為采動對巷道穩(wěn)定性的影響系數(shù)，1.6；fy為巷道煤幫普氏系數(shù)，2；h為巷道的高度，4 m；φ為巷道圍巖內(nèi)摩擦角，24°； 代入計(jì)算得出巷道兩幫破壞深度為0.67 m。

（2）頂板圍巖破壞范圍b，由式（2）得出：

式中：a為巷道中心到巷道壁的距離，2.85 m；α為煤層的傾角，12°；fm為頂板巷道上部直接頂?shù)钠帐舷禂?shù)，3； 代入計(jì)算得出巷道直接頂?shù)钠茐纳疃葹?.147 m。

從安全方面考慮，給圍巖破壞深度乘安全系數(shù)（取1.1），頂板破壞深度為1.261 m，兩幫破壞深度為0.737 m。

3.2 錨桿參數(shù)

（1）錨桿直徑

頂部錨桿直徑選擇20 mm，幫部錨桿直徑選擇18 mm。

（2）錨固力

頂錨桿錨固力計(jì)算:

式中：N為頂部錨桿錨固力，kN；Q為頂部錨桿設(shè)計(jì)錨固力，kN；d為錨桿直徑，mm；σs為螺紋鋼桿體的抗拉屈服極限，345 MPa；代入計(jì)算確定直徑為18 mm錨桿錨固力為79 kN，直徑為20 mm錨桿錨固力為97.5 kN。

（3）錨桿長度

錨桿的主要作用是將巷道破碎的巖體與完整巖體錨固為一個整體，提升圍巖自身的抵抗破壞的能力，錨桿長度計(jì)算：

式中：L1為錨桿外露長度，0.15 m；L2為錨桿有效長度（頂部錨桿取1.261 m，幫部錨桿取0.737 m）；L3為錨固長度，m。

錨固長度應(yīng)同時滿足式（6）、（7）：

式中：k為安全系數(shù)，1.1；d為錨桿直徑，mm；D為鉆孔直徑，26 mm；fst為螺紋鋼桿體的極限抗拉強(qiáng)度，510 MPa；fcr為錨固劑與圍巖的黏結(jié)強(qiáng)度，3 MPa；fcs為錨固劑與金屬桿黏結(jié)強(qiáng)度，5 MPa；代入計(jì)算可得頂部錨固段長度應(yīng)大于0.719 m，幫部錨固段長度應(yīng)大于0.582 m。

計(jì)算可得頂部錨桿長度應(yīng)大于0.15+1.261+0.719=2.13 m； 幫部錨桿長度應(yīng)大于0.15+0.737+0.582=1.469 m。頂部錨桿與幫部錨桿可選擇相同長度，所以錨桿長度取2.2 m。

（4）錨桿間排距

綜合考慮錨桿抗拉與抗剪強(qiáng)度，錨桿間距計(jì)算：

式中：K為富余系數(shù)，1.5；q1為所支護(hù)頂部巖層的均布載荷，MPa。

所支護(hù)頂部巖層的均布載荷可由式（9）得出：

代入計(jì)算得所支護(hù)巖層的均布載荷為50.6 MPa；代入數(shù)據(jù)計(jì)算得錨桿抗拉所需間距應(yīng)小于1.01 m。取錨桿間排距為0.9 m×0.9 m。

3.3 錨索參數(shù)

（1）錨索長度

式中：La為錨固段長度，m；Lb為支護(hù)巖層的層厚，3.75 m；Lc為錨索外漏及托盤長度，0.25 m；錨固長度可由式（11）得出：

式中：d1為錨索直徑，17.8 mm；fa為錨索抗拉強(qiáng)度，1 860 MPa；fc為錨索與錨固劑粘合強(qiáng)度，3 MPa；計(jì)算得錨索的錨固長度應(yīng)大于2.83 m。

代入計(jì)算得錨索長度應(yīng)大于6.83 m； 所以選定錨索長度為7 m。

（2）錨索間排距

錨索排距根據(jù)錨固失效時錨索所承擔(dān)的巖層重量確定：

式中：Rt為錨索的極限破斷力，380 kN；代入計(jì)算得錨索間排距應(yīng)小于2.1 m，確定錨索間排距為2.0 m×1.8 m。

13102工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 巷道支護(hù)參數(shù)

4 支護(hù)效果

根據(jù)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對巷道進(jìn)行加固支護(hù)后，對巷道頂部及兩幫進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，得出巷道頂板下沉值、兩幫移進(jìn)量見圖3。

圖3 巷道圍巖變形

13102工作面運(yùn)輸巷因受上覆采空區(qū)影響，兩幫變形最大。根據(jù)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對巷道進(jìn)行加固支護(hù)后，頂板下沉量的最大值是85 mm，兩幫變形量的最大值是93 mm。頂板的下沉值與兩幫的移進(jìn)量控制在合理、安全的范圍內(nèi)，證明了支護(hù)參數(shù)的合理性與支護(hù)效果的有效性。

5 結(jié)語

1）通過分析可知，13102 運(yùn)輸巷為大斷面巷道，且受到上覆采空區(qū)作用易發(fā)生頂板彎曲下沉與兩幫內(nèi)凸現(xiàn)象，更易發(fā)生冒頂與片幫等不良現(xiàn)象，為保證巷道安全掘進(jìn)，需要對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2）由13102 工作面運(yùn)輸巷工程應(yīng)用后現(xiàn)場實(shí)測可知，巷道頂板下沉值與兩幫變形值控制在合理、安全的范圍內(nèi)，說明本支護(hù)方案能確保掘進(jìn)的安全，可為類似地質(zhì)情況與工程情況的巷道支護(hù)方案的選擇提供參考。