錨網—錨索聯合支護在馬頭門巷道中的應用

于元林皖北煤電集團有限公司, 安徽宿州 234000

錨網—錨索聯合支護在馬頭門巷道中的應用

于元林
皖北煤電集團有限公司, 安徽宿州 234000

根據馬頭門實際揭露的具體巖性，選用錨索網聯合支護方式,并用FLAC3D模擬軟件進行了參數優化，不僅有效地控制了馬頭門大斷面交岔點等難點區域的支護問題,而且施工簡便、快速承載、快速支護,有效地控制了頂板變形, 確保馬頭門工程的安全、經濟，對礦井建設具有重要的理論和現實意義。

馬頭門；聯合支護；錨索；錨網

Ingate；combined supp；ortbolt-Steel；mesh-Anchor

引言

馬頭門巷道位于井筒與大巷的交接部位，是礦井的咽喉部位。馬頭門巷道設計斷面大、服務年限長，使馬頭門巷道在礦山井巷工程中占據了十分重要的地位。另外，馬頭門同時關聯到井筒附近多個硐室，如箕斗裝載峒室、煤倉、管子道、等候室、水泵房、水倉、變電所等，使馬頭門圍巖的力學狀態十分復雜，支護十分困難。尤其是相鄰峒室的施工將對馬頭門圍巖產生擾動，將直接影響到馬頭門的支護。近年來，由于種種原因導致深井馬頭門支護失效的工程事故常有發生，比如淮北礦業集團渦北礦風井、國投新集劉莊礦西部井馬頭門、山東唐口礦馬頭門等等。馬頭門的破壞給礦山井巷工程的工期和經濟帶來了嚴重的影響，因此，應該對馬頭門工程實施信息化施工技術，監測馬頭門圍巖位移和支架受力及變形特性，及時采取對策，確保馬頭門工程的安全、經濟，對礦井建設具有重要的理論和現實意義。

1 工程概況

錢營孜煤礦主井馬頭門底板位于-649.67m 處,巷道凈寬5.0m,凈高4.85m,全長20m。原設計為鋼筋混凝土支護，由于馬頭門上部40m處的裝載硐室后期施工的擾動，可能對馬頭門的穩定性造成影響，而且一旦馬頭門混凝土碹發生破壞則維修相當困難，因此在借鑒國內已經在同類工程中取得的成功經驗的基礎上，在原設計支護方式的基礎上，優化支護方式，即采用錨網_錨索聯合支護。支護效果及巷道變形情況將為后續巖石巷道支護方案的選擇與參數優化提供重要的決策依據。

主井馬頭門位于層厚為4.50m的泥巖中，巷道頂板為粉砂巖，底部巖性為泥巖，粉砂巖中裂隙比較發育。

2 支護方案

借鑒國內相似條件下的馬頭門支護的成功經驗，對于該主井馬頭門采用錨網-錨索聯合支護技術來保證馬頭門巷道圍巖的穩定，支護參數通過數值模擬計算來選定。本次模擬中，對于巖石的本構模型采用了Hoek-Brown本構模型。

計算模型取寬60m、高60m，縱向16.8m的一段巷道進行分析，能夠滿足8個開挖段的施工長度要求，又具有代表性。巷道開挖斷面尺寸為：寬5.0m，豎墻高：2.35m，拱頂圓弧半徑2.5m。計算模型的位移邊界條件是：在模型底邊施加豎向位移約束，在模型左右豎向邊界面施加水平位移約束，在模型的前后豎向邊界面施加前后的水平位移約束。

開挖完每一段巷道巖體后，圍巖的應力釋放，圍巖產生變形，之后馬上進行錨網噴施工。混凝土噴層厚120mm，錨桿間排距700mm，錨桿長度2.5m。錨桿、錨索采用cable單元模擬，混凝土噴層采用shell 單元模擬，并選擇三種支護方案來進行比較。方案1．錨桿間排距為700mm，錨桿長度為2.5m時；方案2：錨桿間排距為800mm，錨桿長度為2.5m時；方案3：錨桿間排距為800mm，錨桿長度為2.2m時。

為了分析巷道變形破壞規律方便，只選擇馬頭門開挖支護后的垂直應力與塑性區進行分析，方案1、2、3的結果分別如圖1～圖3所示。

圖1 方案1模擬結果

圖2 方案2模擬結果

圖3 方案3模擬結果

從圖1（a）中可以看出，最大應力發生在巷道肩角外側圍巖內，如上圖中深藍色區域所示，最大垂直應力為22.4 MPa ，此處為重點補強部位，采用了3 m 長的錨桿，約

束圍巖變形。巷道兩底角部位處應力也較大應加強支護，底板上出現拉應力但較小。拱頂部位及底板大部分由于開挖卸壓應力值較小。從圖1（b）中可以看出，塑性區內主要為剪切應力，紅色部分為曾經受剪的部位，綠色部分為過去受剪現在仍然受剪的范圍，是主要的塑性區，主要分布在豎墻至巷道壁內1.8m左右范圍內，以及巷道底板以下1.6m左右范圍內。而由圖2和圖3所知，方案2與方案3施工后，其垂直應力并沒有多少改變，而方案2、方案3的塑性區范圍相比方案1來說依次增大。

由以上三種方案進行比較，當錨桿長度超過一定值（2m）之后錨桿的長短對于巷道圍巖應力及位移的影響較小，錨桿的間排距對于巷道圍巖應力及位移的影響較大。由數值模擬分析比較，錨桿間排距取為800mm 只是巷道位移比起700mm時稍有增長，但變形在允許的范圍內，可考慮采用800mm的間排距。

3 支護效果評析

3.1 監測元件的埋設

南北馬頭門均施工3m后，開始埋設位移計、鋼筋計、壓力盒、埋設位置選擇6個部位，分別選在馬頭門與井筒交接的正東正西側，南馬頭門西側距井筒2m處，南馬頭門東側距井筒1m處，北馬頭門東側2m處，北馬頭門西側距井筒1m處，2個接線盒分別設在南馬頭門西側距井筒1.5m處、北馬頭門西側距井筒1m處。

儀器埋設位置及元件編號如圖所示。隨后在南馬頭門的施工過程中，在距井筒中心部位6m和9m處分別針對錨、網、噴支護結構中的肩窩、拱中和拱頂三個特殊部位錨桿的受力變化特性，建立了2個錨桿拉力監測斷面，如圖4所示。

圖4 測點布置圖

3.2 監測數據分析

由于布置的測點較多，選擇南碼頭門西側位置處測站結果進行分析，鋼筋計、壓力盒、位移計的變化規律如圖5所示。

由圖5可知，鋼筋計數據變化知，巷道周邊主要存在剪力作用，導致鋼筋計數據減小，又因為水平壓力的影響，導致鋼筋計數據變大。豎直放置的鋼筋計數據減小，是因受到上部壓力的壓縮作用。由位移計變化數據知，巷道周邊受到減漲作用，讀數變化100u ε左右，屬于正常變化范圍。

4 結論

本文根據馬頭門的工程地質概況，選用FLAC3D對巷道支護方案進行了模擬分析，根據模擬結果選擇支護參數，并進行了現場測試，錨網梁支護方案較好的控制了巷道圍巖的大變形，保持了巷道圍巖的穩定性。

（1）巷道側幫較穩定，應力和位移都在允許變化范圍內，但馬頭門拱頂處壓力很大，在錨索加強支護下，巷道基本趨于穩定狀態。經過一年多的觀察，主井馬頭門巷道圍巖變形量很小，錨桿-錨索聯合支護較好地達到支護效果。

（2）通過計算，主井馬頭門共節省C50混凝土材料91.5m3，φ16的螺紋鋼159kg，φ18的螺紋鋼331.5kg，節約材料投資約4萬元。

（3）整個馬頭門工程施工工期縮短了20天。

圖5 南馬頭門西部測站變化情況圖

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Application of Combined Support with Bolt-Steel Mesh-Anchor in the Ingate

Yu Yuanlin Wanbei Coal and Electricity Group, Anhui Suzhou,234000

According to the concrete lithology exposed in ing，ate it is effectively controlled that the support problem of large span intersection and other difficult area by choosing Bolt-beam-steel Mesh Support System combining with FLAC3D simulation software, and the way also gets the advantages of simple construction,quick loading, rapid supporting, to effectively control the roof deformation.It can insure the safety and economic, and there is important theoretical and practical significance to the construction of mine.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.028

于元林，1983年生，男，漢族，安徽省泗縣人，工程師，2007年畢業于安徽理工大學能源與安全學院采礦工程專業，獲碩士學位，現工作于皖北煤電集團有限公司，主要從事礦井建設技術及管理工作。