富水圍巖巷道錨桿支護研究

王少杰

(開灤(集團)蔚州礦業有限責任公司南留莊礦，河北 蔚縣 075700)

富水圍巖巷道錨桿支護研究

王少杰

(開灤(集團)蔚州礦業有限責任公司南留莊礦，河北 蔚縣 075700)

文章針對河北蔚州礦區南留莊礦U型鋼支護巷道費用高、工藝復雜、工人勞動強度高等問題，首次運用錨桿支護進行試驗。通過UDEC數值模擬究分析圍巖變形規律，得出巷道位移變化和塑性區分布特征，通過現場工業性試驗，觀測得出回采期間頂板最大下沉量38mm，兩幫移近量52mm，頂錨桿最大受力92 kN，幫錨桿最大受力62 kN。可見，通過錨桿支護方式使得回采巷道變形量較小、頂板完整性變好，有效減小了圍巖變形，實現了圍巖穩定性，保證了工作面的安全開采，取得了良好的經濟技術效益。

回采巷道；錨桿支護；數值模擬；工業試驗

1 引言

我國煤礦資源的開采主要是井工開采，據不完全統計，我國國有大中型煤礦每年新掘進的巷道總長度約為數千公里，約有80%是半煤巷和煤巷。因此，煤層巷道的安全和圍巖穩定對安全生產有重要意義，巷道支護的可靠性和成本直接影響煤炭企業的安全生產與經濟效益[1]。煤礦巷道支護經歷了由木支護、砌碹支護、U型鋼支護到錨桿支護的漫長過程，現在錨桿支護技術已趨于成熟[2-6]，文章針對河北蔚州礦區南留莊礦U型鋼支護巷道費用高、工藝復雜、工人勞動強度高等問題，首次在該礦進行錨桿支護改革試驗。

2 工程概況

試驗地點位于該礦四采區1號煤層1408工作面回風巷道，地面標高+1 050m，煤層標高+815m。四采區煤層總體為一近水平的單斜形態，總體趨勢為西北較高，東南稍低，傾角一般為3°~5°。煤層賦存比較穩定，但結構復雜，一般含1~3層夾矸。煤層平均埋深235m，厚度為3~4m，1號煤層頂底板綜合柱狀圖見圖1。

圖1 1號煤層綜合柱狀圖

本采區充水水源主要有煤系基底寒武系、奧陶系灰巖含水層；煤系砂巖含水層；第四系砂礫卵石含水層及輝綠巖裂隙含水層。第四系洪積層平均厚度150m，賦水性中等，但含有流沙層。第四系洪積層底面距1煤層頂板間距20~104m，平均56.02m。本區正常涌水量為5.8m3/min，屬于涌水量大區域；現場6m鉆孔抽水試驗單位涌水量0.933 L/min，介于0.1 L/min和1.0 L/min間，屬于中等富水性含水層。煤系地層直接坐落在奧灰巖基底之上，主要可采煤層1煤距奧灰巖很近，隔水層厚度在0.2~16.2m之間，平均6.69m，采區南部和北部隔水層厚度較薄，小于1m，其余區域大部分在2~6m之間。

1408工作面回風巷道巷道設計沿頂板掘進，兩幫為實體煤，斷面設計為矩形。該礦巷道圍巖含水量較大，造成巷道圍巖強度降低，為保證工程的穩定性和安全性，巷道設計為小斷面巷道，高度2.5m，寬度2.8m，巷道斷面圖見圖2。

圖2 1408工作面回風巷道斷面圖

根據礦區地質條件、巷道斷面尺寸、施工條件和生產技術條件，結合經驗分析，初步確定頂錨桿采用Φ20×2 400mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距0.65×0.9m；幫錨桿采用Φ18×1 800mm圓鋼錨桿，間排距1.0×0.9m；幫網和頂網采為菱形金屬網。托盤采用120mm×120mm×8mm和150mm×150mm×5mm鐵托盤。如果巷道出現底臌現象時，還應該在幫底補打錨桿，其參數根據現場情況可適當修正。巷道斷面和錨桿初步設計布置見圖3。

圖3 巷道斷面圖

3 數值模擬結果分析

文章采用數值模擬軟件UDEC2D3.1模擬巷道礦壓顯現規律。離散元數值模擬軟件UDEC是基于拉格朗日顯式差分法求解運動方程和動力方程的，針對非連續介質模型的二維離散元數值計算程序，模擬靜載或動載條件下非連續介質(如節理塊體)力學行為的特征，能夠較好地適應不同巖性和不同開挖狀態條件下的巖層運動和巷道變形的需要。

在工作面回采時，巷道受工作面超前支承壓力的影響，巷道圍巖應力急劇增加，引起圍巖應力的又一次重新分布，塑性區的影響范圍進一步擴大，使得巷道的變形量急劇增大。目前，上述參數主要由現場實測取得，工作面超前支承壓力增高系數為2.5~3，傾斜方向支承壓力增高系數在2~3之間。依據南留莊礦埋深淺的地質條件和房柱式生產方式，同時考慮生產期間的巷道安全問題，取回采期間的巷道圍巖的支承壓力系數為2.5，用數值模擬軟件UDEC對上述模擬方案在工作面回采期間巷道變形和穩定情況進行研究。巷道周邊表面位移、巷道附近位移矢量分布、巷道附近的塑性區分布、巷道圍巖垂直應力分布和水平應力分布見圖4。其中hist1、hist2、hist3、hist4分別為巷道的頂板下沉量、底臌量、左幫移近量、右幫移近量；巷道周圍圍巖的位移矢量圖中的箭頭代表節點位移的方向和大小；應力分布圖中的數值代表等值線上的應力值，數值的單位為MPa。

從圖4中可以看出，工作面回采后，在超前支承壓力的作用下，巷道的表面位移大幅增大，巷道的頂板下沉量、底臌量、左幫移近量、右幫移近量各為117mm，30mm，60mm，63mm。巷道周圍位移矢量都指向巷道的中心，并且隨著距巷道周邊距離的增大而減小。在巷道周邊均出現塑性區，且范圍大幅增大，巷道右側為未開采區域，右幫塑性區寬度大約為6m。通過上述分析可知，在工作面回采引起的超前支承壓力下，巷道的變形量和塑性區范圍大幅增加，但是仍在允許范圍內，因此該錨桿支護方案能保證巷道回采期間的安全、正常使用。

圖4 回采情況下數值模擬結果

4 工業性試驗

依據1408工作面回風巷道試驗段條件，布置兩組礦壓觀測站，間距為50m，每組測站頂和兩幫各布置一個錨桿測力計和多點位移計。

通過礦壓觀測數據來看，在掘進期間，1號測站和2號測站頂板的最大下沉量為35mm和34mm，巷道頂板總離層值約為15mm和16mm。巷道開挖初期，圍巖應力重新分布，出現應力集中，巷道兩幫最大變形量約為25mm和30mm，兩幫主要變形量集中在距離掘進頭100m范圍內，以后巷道基本穩定。錨桿正常受力，約為20 kN，能夠保證巷道的穩定。在1408工作面回采期間，2號測站頂板最大下沉量38mm，兩幫移近量52mm，頂錨桿最大受力92 kN，幫錨桿最大受力62 kN。錨桿受力與巷道變形一致，保證巷道的穩定，滿足巷道支護要求。

5結論

現場工業性試驗表明，1408工作回采巷道采用錨桿支護后，變形量較小，頂板完整性好，有效減小了圍巖變形、實現了圍巖穩定，改善了回采巷道的圍巖狀況，提高了巷道掘進效率，極大地降低了工人的勞動強度，有效地降低了支護成本，為整個礦井巷道錨桿支護提供了依據，創造了良好的技術經濟效益。

[1]侯朝炯，郭勵生.煤巷錨桿支護[M].徐州:中國礦業大學出版社，1999.

[2]馮來榮.新柳煤礦近距離煤層回采巷道錨桿支護技術[J].煤炭工程，2010，(8):30-33.

[3]王澤進,鞠文君.我國煤巷錨桿支護新進展[J].煤炭科學技術，2000，28(9):4-6.

[4]康紅普，王金華等.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].煤炭工業出版社，2007.

[5]段紅民.復合頂板錨桿支護設計優化[J].煤炭工程，2010，(11)23-24.

[6]張軍，劉增平，劉業獻等.唐口煤礦深部煤巷圍巖支護技術[J]，煤炭技術，2010，29(12):83-84.

Studyon Bolt Support of the Road wayunder Water-bearing Surrounding Rock

Wang Shaojie

According to the problemsofhigh cost,process complex and labor intensity used U shaped steelsupport roadway in Yuzhoumining areas,boltsupportwasused first time for test.Through UDEC numericalsimulation to analysis the surrounding rock deformation law ofdisplacement,and concludes that the changes and the distribution characteristics of the plastic zone,and through the field industrial test,duringmining subsidence 38mm maximum roof,two sides closer to 52mm,top of themaximum stress 92 kN,sides anchormaximum force 62 kN.Using boltsupport made deformation smaller and effectively reduce roof integrity of surrounding rocks deformation and guarantee the stability of surrounding rock of the safetyminingand obtain good economical.

roadway；boltsupport；numericalsimulation；commercial test

TD353.6

A

1000-8136(2011)29-0003-03

王少杰，男，漢族，1964年1月13日生，河北蔚縣人，助理工程師。