大同礦區石炭系地質構造擠壓帶傾斜煤層巷道支護

馮月新

大同礦區石炭系地質構造擠壓帶傾斜煤層巷道支護

馮月新

針對大同礦區石炭系地質構造擠壓帶巷道支護難題，對整體錨固結構形成的各部位的支護參數進行了分析，對整體錨固結構支護方案與普通支護進行了分析比較，提出了符合實際的支護參數并實施，試驗效果較好。

地質構造擠壓帶；整體錨固結構；巷道支護

大同礦區白洞煤業公司C5#煤層掘進的5102巷道，由于巷道位置靠近煤層露頭線和向斜構造的向斜軸及斷層帶，煤層傾角大（最大40°），圍巖受向斜構造及斷層的影響嚴重，煤體裂隙發育、非常破碎，圍巖極易冒落。在這樣的地質條件下，如何進行巷道的穩定性控制便成為工程中迫切需要解決的技術問題。

預應力錨桿支護對圍巖是一種綜合性作用，除了具有可以改善圍巖受力狀態、提高圍巖承載能力、錨固松動巖體等基本功能外，由錨桿、被錨固圍巖共同組成的錨固結構還具有很強的承載能力，且對圍巖變形具有很好的適應性。在對5102巷進行加固時，首選預應力錨桿，以整體錨固結構理論為指導進行支護。通過現場實際檢驗，取得了不錯的效果。

整體錨固結構中的頂板承載結構層近似于一個兩端固定支撐的梁，只不過在煤層這種多節理、裂隙的介質中，這種梁形成的力學條件不同于組合梁理論，它是依靠錨桿預緊力在煤體中產生的橫向擠壓作用形成的。

形成整體錨固結構需要的頂板錨桿（垂直頂板安裝）的預緊力可按照下式計算：

1 整體錨固結構的形成條件

頂、幫錨固體形成整體錨固結構，能克服普通錨固結構存在角部薄弱環節的缺陷，一定程度上可防止兩幫沿頂、底發生錯動而向巷道擠入，從而減小巷道變形，更大限度地改善錨固區圍巖的受力狀態，從而提高錨固結構的徑向剛度，增強錨固結構對深部圍巖的徑向約束，使巷道圍巖的穩定性得到改善。對全煤巷道錨桿支護的相似模擬研究成果表明，錨桿布置方式不同，圍巖的加固效果也會有所不同，錨桿加固后以在圍巖中形成整體拱形錨固結構（圖1b） 為最佳，形成框形整體錨固結構（圖1a）次之。整體錨固結構理論對錨桿施加在圍巖上的預緊力依賴程度很高。

式中：P——錨桿預緊力；

q——巷道頂壓集度；

b——巷道跨度；

k0——圍巖的二維裂隙度；

c——圍巖的內聚力；

μ——圍巖的泊松比；

L2——錨桿有效長度；

a——錨桿間（排）距；

φ——圍巖內摩擦角；

π——圓周率。

形成整體錨固結構需要的頂角錨桿（位于頂板角部，向垂直方向外偏α0角度安裝）的預緊力Pj按照

下式計算：

形成整體錨固結構需要的幫錨桿（水平方向或垂直兩幫安裝）的預緊力按照下式計算：

式中：Pb——幫錨桿預緊力；

h——巷道高度；

RC——兩幫圍巖的平均單軸抗壓強度；

n0——兩幫錨桿根數；

f——φ的正切函數值；

l2——幫錨桿的有效長度。

形成整體錨固結構需要的偏轉一定角度安裝的靠近頂底角的幫錨桿需要的預緊力Pbj按照下式計算：

式中β0為靠近頂、底角的幫錨桿與水平方向或垂直幫的方向之間的夾角，其余符號同前。

2 不同支護方案模擬分析

利用數值模擬手段就兩種典型的錨固結構（見圖2），即整體錨固結構和普通錨固結構以及無支護條件下圍巖的應力狀態及變形特征進行對比分析。

模擬時模型尺寸取為40 m×40 m，巷道尺寸為4.2 m×3.3 m，頂板錨桿長度為2.4 m，兩幫錨桿長度為2.0 m。

從拉、壓應力區分布特征看，整體錨固結構使更大范圍的巷道圍巖處于壓縮應力狀態，更適合巖體抗壓強度大于抗拉強度的力學特征，有利于保持巷道圍巖的穩定性。從應力分布特征看，整體錨固結構和普通錨固結構的作用都使圍巖中的應力狀態發生了一定的改變，整體錨固結構在巷道角部的結構特性使頂、幫錨固體在兩端邊界處更接近于固定約束（彎矩及切向支反力均較大），從而表現出較強的抗彎曲變形特性；而普通錨固結構的頂、幫錨固體在兩端邊界處所受的約束則相對較弱，因而表現出更明顯的彎曲變形現象。從圍巖應變、變形特征上看，整體錨固結構支護條件下的位移小于普通錨固結構條件下的位移。整體錨固結構在巷道幫、頂交接范圍內位移的控制明顯優于普通錨固結構。

綜合分析數值模擬各項數據可以判斷：整體錨固結構的支護效果優于普通錨固結構的支護效果。

3 現場支護方案確定

鑒于支護對象結構的特殊性，錨桿支護時需要輔以金屬網、W鋼帶及鋼筋托梁，并在巷道頂板用錨索進行補強支護。

具體支護方案為：錨桿+金屬網+W鋼帶（頂）+鋼筋梯（幫）+錨索補強聯合支護。

根據現場地質條件進行綜合分析計算后，最終的支護參數為：

頂錨桿長度2.4 m，幫錨桿長度2.2 m，錨桿直徑22 mm；錨索為7股φ5 mm高強度鋼絞線組成，長度為8.3 m。

見第12頁圖3，4，5。

4 現場效果分析

5102 巷于2009年12月1日開始施工，2010年6月27日完成掘進，巷道掘進總長度1 656 m，圍巖全部采用項目研究的支護方案及支護參數進行支護；2010年8月～2011年2月，完成了白洞煤業公司同樣位于向斜構造擠壓帶內的5104巷和5106巷的掘進施工，2條巷道掘進進尺分別為1 700 m和1 680 m。實測數據表明，上述巷道穩定狀態滿足生產使用要求，取得了較好效果。

Carboniferous Roadway Supporting Technology of Geological Tectonic Compression Belt in carboniferous System of Datong Coal Mine

Feng Yuexin

Aiming at the problem of roadway supporting about carboniferous geological tectonic compression belt in Datong Coal Mine,this paper analyses the supporting parameters in different parts of the integral anchorage structure,compares the integral anchor structure supporting with common supporting.It puts forward practical supporting parameters and puts into practice,and the experimental effect is good.

geological tectonic compression belt;integral anchorage structure;roadway supporting

TD353

A

1000-4866（2011）04-0010-03

馮月新，男，1964年12月出生，碩士學位，高級工程師，現任大同煤礦集團公司副總工程師。曾獲中國煤炭工業科技獎和中國安全生產科技成果獎多項。

2011-09-22

2011-10-13