侯晉剛， 劉永廣

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西高平科興南陽煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

引言

煤礦安全一直是煤礦生產(chǎn)的重要保證，煤礦安全往往受到各種各樣的因素的影響。煤礦安全的重要保障來自安全的支護(hù)技術(shù)，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境給礦井支護(hù)帶來巨大的困難。我國煤礦的分布地形較為復(fù)雜，所以必須為礦井設(shè)計(jì)不同的支護(hù)方案，這對(duì)煤礦安全具有重要意義［1］。本支護(hù)方案主要以南陽煤礦3號(hào)煤層的3202第二回風(fēng)巷為對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，3號(hào)煤層賦存于山西組下部，煤層厚度4.11～6.00m，平均5.25m，該煤層屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層一般含0～1層夾矸，夾矸厚度0.02～0.50m，巖性多為炭質(zhì)泥巖，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該煤層頂板為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖，底板為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖。煤層傾角1°～7°。頂板分為基本頂、直接頂、偽頂?；卷攷r石類型為中粒砂巖，厚度為8m，巖性以石英為主，長石次之，并含黑色礦物層面，含大量云母碎片及炭質(zhì)碎屑，明顯斜層理；直接頂巖石類型為粗粉砂巖，厚度約為2m，巖性深灰色，較堅(jiān)硬，富含植物化石及大量云母碎片，并夾菱鐵礦結(jié)核；偽頂巖石類型為泥巖，厚度為0.1～0.3m，巖性為黑色，水平層理十分發(fā)育，較軟，易冒落。底板分為基本底、直接底?；镜讕r石類型為粗粒砂巖，厚度約為2m，巖性為致密富含植物莖化石和云母碎片，炭質(zhì)碎屑底部具有波狀層理；直接底巖石類型為細(xì)粉砂巖，厚度約為5m，巖性為薄層及微薄層狀，不連續(xù)的緩波狀層理層面有較多炭質(zhì)碎屑及植物化石。

1 錨桿支護(hù)理論

1.1 組合梁理論

巷道的安全受到各個(gè)方向應(yīng)力的影響，不同煤礦的巷道，甚至是同一煤礦的不同巷道的底板、頂板由不同的巖石組成。巷道的頂板有的是由層狀的巖石構(gòu)成，此巷道在還沒有進(jìn)行支護(hù)的情況下，如果頂板向下沉降，同時(shí)還伴有各層脫離，巷道會(huì)有垂直于層面的位移和平行于層面的位移，并且每個(gè)分層中會(huì)分別出現(xiàn)受壓縮力形成的壓縮區(qū)域和受拉伸力形成的拉伸區(qū)域。若使用錨桿穿透各個(gè)巖層，使各巖層緊湊擠壓，會(huì)在它們之間產(chǎn)生較大的層間摩擦力，這樣的力可以防止各層間的移動(dòng)，這樣一來會(huì)形成一個(gè)合成梁，該合成梁會(huì)有更強(qiáng)的抗壓力、抗剪力，會(huì)使支護(hù)更加穩(wěn)固。合成度越高，整體性就會(huì)越強(qiáng)。這就是錨桿支護(hù)理論中經(jīng)典的組合梁支護(hù)［2］。

1.2 組合拱（壓縮拱）理論

通常情況下，錨固噴漿支護(hù)（簡(jiǎn)稱錨噴支護(hù)）會(huì)起到多種支護(hù)作用。但是，當(dāng)巷道處于軟巖的地質(zhì)中時(shí)，錨噴支護(hù)的作用是使巷道頂板形成一個(gè)組合拱結(jié)構(gòu)體［3］。而對(duì)于這種結(jié)構(gòu)體，錨桿是主要的組成部分，由其組成組合拱結(jié)構(gòu)體；同時(shí)，噴灑砼層、鋪設(shè)金屬網(wǎng)是這種組合拱結(jié)構(gòu)體必要的輔助措施，它們的輔助作用主要是防止錨桿之間的比較碎小的巖石不被推擠出、松垮、脫落，從而保證這種組合拱的整體性。這種組合拱具備若干性質(zhì)，其中比較重要的有兩個(gè)：其一，組合拱結(jié)構(gòu)體（組合拱）內(nèi)部的巖石強(qiáng)度與沒被破壞時(shí)候的強(qiáng)度很相似；其二，組合拱結(jié)構(gòu)體的可壓縮性比較大。

一些試驗(yàn)已經(jīng)表明，如果在比較碎小的巖石中安裝錨桿，同時(shí)使錨桿具有預(yù)應(yīng)力，也會(huì)產(chǎn)生一定承載作用，在保證錨桿間距相當(dāng)小的情況下，一種均勻的壓縮帶會(huì)在對(duì)應(yīng)的巖體中形成，這種壓縮帶可以保證給予上方未錨固破裂的碎石相應(yīng)的承受力，阻止碎石下落，這種支護(hù)理論叫組合拱支護(hù)理論［4－6］。

錨桿支護(hù)理論除了上面兩種還有“剛性梁”理論、圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論、圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論、最大水平應(yīng)力理論、懸吊理論等。

2 Flac3D數(shù)值模擬分析

FLAC是“Fast Lagrangian Analysis of Continua”的簡(jiǎn)稱，也就是快速拉格朗日差分分析［7］，這個(gè)程序起初在固體力學(xué)中應(yīng)用，在眾多的巖體力學(xué)計(jì)算方法中，此軟件已經(jīng)是重要的方法之一了。Flac3D是一種三維的建模計(jì)算模擬程序，有限差分理論作為基礎(chǔ)，為多種工程進(jìn)行三維建模，尤其在煤礦巷道支護(hù)工程中，可以提供更加科學(xué)的理論支持。所以，此軟件已經(jīng)在煤礦巷道支護(hù)相關(guān)理論模擬計(jì)算中廣泛應(yīng)用［8］。

3 現(xiàn)有支護(hù)狀況分析

本掘進(jìn)面位于3201回風(fēng)順槽南側(cè)，相距245.1m（凈煤柱），與3201回風(fēng)順槽平行，巷道設(shè)計(jì)長度1 900m，方位角270°，矩形斷面，寬為3.8m，高為2.8m，采用樹脂加長錨固，錨網(wǎng)組合支護(hù)并錨索補(bǔ)強(qiáng)。巷道沿3號(hào)煤煤層頂板掘進(jìn)，開口于二采區(qū)回風(fēng)巷461m處西幫?；局ёo(hù)方式：巷道頂板采用鋼筋托梁、錨桿、錨索、鋼塑網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。兩幫均采用錨桿、鋼筋托梁、鋼塑網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。原始支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖1所示：頂錨桿選用Φ22－M24－2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，間距1 100mm，排距1 000mm，一排4根，頂板兩側(cè)錨桿垂直傾斜30°；幫錨桿選用Φ22－M24－2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，間距1 200mm，排距1 000mm，一排六根，兩幫兩根頂角錨桿水平傾斜10°；錨索均采用Φ22－6300高強(qiáng)度低松馳鋼絞線，沿巷中布置一排，錨索排距為3 000mm，一排一根。圖1為原始支護(hù)巷道斷面圖。

圖1 原始支護(hù)巷道斷面（mm）

目前，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況及圖2、下頁圖3所體現(xiàn)的原始支護(hù)情況，可以得出南陽煤礦3號(hào)煤層的3202第二回風(fēng)巷的支護(hù)尚存有不足之處，巷道部分出現(xiàn)一定程度的底臌現(xiàn)象，頂板、兩幫、地板的破壞區(qū)還比較大，頂板、兩幫的錨桿支護(hù)角度有待改善。

圖2 在Flac3D中的原始支護(hù)圖

該巷道目前的支護(hù)方式和參數(shù)，還不能充分達(dá)到更加穩(wěn)定和有效的支護(hù)，在有效控制巷道圍巖變形和破壞方面還有一些優(yōu)化改進(jìn)的空間，建議采用更加有效的支護(hù)方式和參數(shù)，解決當(dāng)前存在的問題，因地制宜的選擇支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，以消除目前巷道支護(hù)中存在的安全隱患。

圖3 原始支護(hù)效果圖

4 優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)原始支護(hù)中存在的缺點(diǎn)制定出了優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)方案?；局ёo(hù)方式：錨索＋錨桿＋網(wǎng)＋鋼帶。優(yōu)化支護(hù)參數(shù)：頂錨桿選用Φ22－M24－2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，具體參數(shù)如圖4所示：間距1 100mm，排距1 000mm，一排4根，頂板兩側(cè)錨桿垂直傾斜15°；幫錨桿選用Φ22－M24－2500左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，間距1 200mm，排距1 000mm，一排六根，兩幫底角兩根錨桿水平傾斜15°；錨索均采用Φ22－6300高強(qiáng)度低松馳鋼絞線，沿巷中布置一排，錨索排距為3 000mm，一排一根。圖4為優(yōu)化支護(hù)巷道斷面圖。

圖4 優(yōu)化支護(hù)巷道斷面圖（mm）

當(dāng)圖2中的原始支護(hù)變?yōu)閳D5的優(yōu)化支護(hù)后，優(yōu)化支護(hù)效果（如圖6）相對(duì)于原始支護(hù)效果（如圖3）破壞區(qū)域減小，支護(hù)效果得到了改善。

5 結(jié)語

針對(duì)南陽煤礦所提出的優(yōu)化支護(hù)方案，突破點(diǎn)主要是運(yùn)用了底腳錨桿，就是底腳兩根錨桿有一定的傾斜，這樣可以在一定程度上減輕底臌的危害程度。經(jīng)過原始支護(hù)與優(yōu)化支護(hù)的對(duì)比，可以看出本優(yōu)化方案具有一定的可行性。

圖5 在Flac3D中的優(yōu)化支護(hù)圖

圖6 優(yōu)化支護(hù)效果圖

［1］鄧小賓.煤礦掘進(jìn)支護(hù)問題及應(yīng)對(duì)方法［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2015（1）：108－110.

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