胡光華

錨網(wǎng)索支護在軟巖巷道中的應(yīng)用

胡光華

(霍州煤電集團有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西 霍州 031400)

針對軟巖巷道返修率高和支護難的問題，提出了采用錨網(wǎng)索支護的機理和設(shè)計方法，并用FLAC軟件模擬驗證支護設(shè)計的有效性，在支護施工過程中加強對支護質(zhì)量的控制采取了針對性的技術(shù)措施，巷道支護監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，圍巖的變形得到了有效控制，在工程應(yīng)用中取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效果。

軟巖;參數(shù);錨網(wǎng)索支護;礦壓監(jiān)測

辛置煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層頂?shù)装逅绍?，巷道破壞嚴重，支護越來越困難，返修率較高，維護費用較大。二采區(qū)掘進的4#煤層(沿煤層)區(qū)段巷，以前主要采用棚式支護，曾連續(xù)返修7次，嚴重影響了正常生產(chǎn)，亟需采用一種新的更有效的支護方式來支護巷道，保證生產(chǎn)的正常進行。錨桿支護作為一種有效的支護方式在回采巷道支護方面得到了廣泛的應(yīng)用，通過圍巖內(nèi)部的桿體，改變了圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，提高了圍巖的強度，從而在巷道周圍形成了一個完整穩(wěn)定的承載力，與圍巖共同作用，支護效果良好，必要時再輔助錨索支護，對圍巖進行補強，因此，可以應(yīng)用于軟巖巷道的支護。

1 錨網(wǎng)索支護設(shè)計

1.1 工程概況

辛置煤礦二采區(qū)位于斜井西翼，上至－50標高，下至－120標高，西至斜井向斜軸，東至斜井煤柱線，全區(qū)平均走向長550 m，傾斜長260 m。本區(qū)4#煤層煤質(zhì)松軟破碎，煤層頂?shù)装逅绍?，?jié)理發(fā)育明顯，煤層中含2～4層鏡狀夾石，夾石厚度不均，且變化較大。煤層最大厚度為19 m，最小厚度為3.8 m，平均厚度為6 m。煤層柱狀圖見圖1。

1.2 支護機理

圖1 煤層柱狀圖

根據(jù)圍巖松動圈理論，巖層碎脹，強度低，松動圈尺寸為1.50 m，屬于大松動圈，圍巖為軟巖，采用錨桿形式形成組合拱支護軟巖，可以達到良好的效果。組合拱理論認為：在拱形巷道圍巖的破裂區(qū)中安裝錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應(yīng)力，如果巷道周邊布置錨桿群，只要錨桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應(yīng)力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即組合拱。組合拱是利用錨桿的錨固力對破碎圍巖進行加固，使松動圈內(nèi)破碎圍巖的強度恢復(fù)進入支護狀態(tài)。

1.3 圍巖松動圈的測定

采用PHD－2型聲波檢測儀按照聲波測試法對圍巖松動圈進行測定，測定結(jié)果見圖2。

由圖2可知，巷道兩幫圍巖松動圈的范圍為1.2 ～1.6 m。

圖2 圍巖松動圈測定結(jié)果

1.4 設(shè)計參數(shù)的確定

1.4.1 巷道斷面的確定

從力學(xué)原理來看，巷道采用圓形斷面效果最好，但是考慮到巷道使用方便，采用直墻半圓形斷面，巷道凈寬3 600 mm，凈高3 000 mm，斷面形狀見圖3。

圖3 巷道斷面形狀示意圖

1.4.2 錨桿參數(shù)的確定

1)錨桿間排距的確定。

式中：

M—錨桿間排距;

N—圍巖影響系數(shù)，頂板圍巖系數(shù)取1.2，邊幫圍巖系數(shù)取 1.1。

考慮圍巖強度低及地應(yīng)力相對較大等特點，結(jié)合工程類比法，現(xiàn)對錨桿的間排距進行縮小，頂錨桿間距取0.6 m，幫錨桿間距取 0.6 m。

2)錨桿長度的確定。

頂錨桿：

幫錨桿：

式中：

L—錨桿全長，m;

B—組合拱厚度，m;

M—錨桿間排距，m;

L2—錨桿外露長度，m。

考慮圍巖強度低及地應(yīng)力相對較大等特點，結(jié)合工程類比法，現(xiàn)對錨桿長度加長，頂錨桿長度取2.2 m，幫錨桿長度取2.0 m。

3)錨桿直徑的確定。

考慮到圍巖強度低及地應(yīng)力相對大等特點，用工程類比法，現(xiàn)對錨桿的直徑進行加粗，頂錨桿直徑為22 mm，幫錨桿直徑為20 mm。

4)錨桿類型的選擇。

錨桿選擇礦方已使用的螺紋鋼等強錨桿，錨固方式選為全長錨固，選用樹脂錨固劑，錨桿初始預(yù)應(yīng)力為2 t。

1.4.3 錨索參數(shù)的確定

1)錨索長度的確定。

式中：

La—錨索長度，m;

La1—錨索外露長度，m;

La2—錨索有效長度，m;

La3—錨索錨固長度，m。

2)錨索類型的選擇。

錨索選擇礦方已使用的直徑為15.22 mm的鋼絞線錨索，錨索錨固方式選為全長錨固，選用樹脂錨固劑，錨索初始預(yù)應(yīng)力為4 t。

1.4.4 金屬網(wǎng)及鋼筋梯參數(shù)的確定

金屬網(wǎng)形狀選用經(jīng)緯網(wǎng)，材料選用圓鋼，規(guī)格為d=6 mm，網(wǎng)孔為 @50 mm×50 mm。

鋼筋梯選擇圓鋼焊接而成，材料選用圓鋼，規(guī)格為d=14 mm，鋼筋梯寬B=100 mm，加強筋間距800 mm。

1.5 支護設(shè)計

支護設(shè)計平面圖見圖4。

圖4 支護設(shè)計平面圖

1.6 巷道支護設(shè)計數(shù)值模擬

本設(shè)計方案采用FLAC有限差分數(shù)值分析計算軟件，對錨網(wǎng)索支護方案的有效性進行分析。煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

模型模擬：

本次錨網(wǎng)索支護巷道數(shù)值模擬應(yīng)用的是FLAC2D軟件，模擬結(jié)果見圖5，圖6。

圖5 圍巖應(yīng)力分布圖

由圖5，圖6模擬結(jié)果分析可知：模擬驗證的錨網(wǎng)索支護方案是一種主動支護形式，不是被動地承受圍巖壓力，而是主動地控制圍巖的力學(xué)性態(tài)變化，使支護與圍巖共同作用，充分發(fā)揮了圍巖的自身承載力，圍巖從荷載變?yōu)槌休d，變消極因素為積極因素，限制了圍巖的變形、位移、裂隙向圍巖深部發(fā)展，盡量保持了圍巖的完整性與穩(wěn)定性。由此可見，本支護方案是合理可行的，模擬數(shù)據(jù)也充分證明了這一點。

圖6 圍巖位移分布圖

2 礦壓監(jiān)測

監(jiān)測面布置在距該巷道錨網(wǎng)索支護起始位置60 m處。該監(jiān)測面表面位移數(shù)據(jù)見表2，表面位移變化曲線見圖7。

表2 監(jiān)測面表面位移觀測表

圖7 監(jiān)測斷面位移變化曲線圖

由表2，圖7觀測分析可知：巷道支護后5～15 d圍巖在不斷的調(diào)整和變化之中，變形速度較快。頂板下沉量較小，最大下沉量為13 mm，兩幫收斂量較大，最大收斂量為30 mm。而后圍巖運動趨于平緩，此時，塑性區(qū)邊界不再向圍巖深部發(fā)展，圍巖趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

巷道圍巖松動圈的測定為支護設(shè)計提供了可靠數(shù)據(jù)，進一步確定了圍巖類別為不穩(wěn)定圍巖，采用組合拱理論計算、工程類比法和實測法進行設(shè)計，并對設(shè)計方案的可行性進行數(shù)值模擬驗證，在支護施工過程中對圍巖關(guān)鍵部位實施高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護，采取技術(shù)措施對支護質(zhì)量進行嚴格控制，礦壓監(jiān)測的結(jié)果顯示，支護達到了預(yù)期目的，支護方案是合理可行的。

軟巖在錨網(wǎng)索支護作用下，特別是預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索的使用下增強了主動支護的作用，形成了一個整體的組合拱，增強了組合拱的自身強度，限制了圍巖變形向巷道深部發(fā)展，改善了圍巖應(yīng)力場，使組合拱的應(yīng)力狀態(tài)接近于原巖應(yīng)力狀態(tài)，在這種組合拱的作用下充分利用了巷道圍巖的自承載能力，確保了軟巖巷道支護的有效性。錨網(wǎng)索支護在辛置礦軟巖巷道支護中得到了廣泛的應(yīng)用，降低了勞動強度，確保了生產(chǎn)的正常進行，取得了較好的支護效果。

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Application on Bolt－Mesh－Anchor Support in Soft Rock Roadway

Hu Guang－h(huán)ua

The mechanism and design method of bolt－mesh－anchor support are used for solving the problem of high repair rate and difficult support in soft rock roadway.FLAC software simulation results verify the effectiveness of the design.The technical measures are taken to control quality during construction.The monitoring date of roadway support shows that wall rock has been effectively controlled.Engineering application achieved significant technical and economic effects.

Soft rock;Parameter;Bolt－mesh－anchor support;Rock pressure;Monitoring

TD353

A

1672－0652(2012)07－0009－04

2012－05－09

胡光華(1975—)，男，湖南桃源人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)管理方面的研究(E －mail)403177894@qq.com