陳家溝煤礦巖巷支護參數設計方法研究

李 學 軍

(華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100)

陳家溝煤礦巖巷支護參數設計方法研究

李 學 軍

(華亭煤電股份有限公司陳家溝煤礦，甘肅 華亭 744100)

結合陳家溝煤礦的地質勘探資料和設計資料，運用理論計算和數值模擬的方法，對巖巷的塑性區(qū)進行數值模擬和計算，根據兩者的計算結果，得出塑性區(qū)的范圍，為錨桿的支護提供參數依據，同時計算結果表明，錨桿設計參數符合數值計算和理論計算的結果。

理論計算，塑性區(qū)，數值模擬

0 引言

煤礦永久性巷道服務年限長，在地質條件和生產布局允許的情況下大多沿煤層頂底板送巷，為滿足運輸、行人、通風需要，一般斷面較大，設計上要便于與采區(qū)車場銜接，兼顧安全保護煤巖柱寬度。在此基礎上，永久性巷道的支護方式和支護參數設計選取的科學合理性十分重要，決定著巷道的安全性，而且提高一次支護的有效性，可以避免因巷道圍巖塑性破壞后需增大維修支護徑向深度及支護強度給設計和現場施工帶來的困難。設計合理，支護有效，則可以避免和減弱巷道變形破壞，減少對失修巷道維修加固的材料和人力成本，提高礦井經濟效益。陳家溝煤礦在多年的生產實踐中逐漸實現了巷道支護錨網化，總結出了錨桿、錨索、鋼筋梯梁、噴射混凝土等支護多搭聯合支護的多種支護方式，在支護參數的選取上也進行了一些有益的探索實踐。

1 巷道概況

陳家溝煤礦某水平軌道大巷，巖巷段約380 m，沿煤層底板送巷，巷道坡度+4‰，巷道揭露巖石：煤泥巖，灰色、灰黑色，均勻層理，泥質膠結，具水平層理，含較多的炭化植物莖部化石碎片。砂質泥巖，灰褐色，灰黑色，泥質膠結，均勻層理，局部具揉搓滑面。巖體較完整。半圓拱形巷道，凈斷面為14.6 m2，掘進斷面為17.3 m2，采用鋼筋托梁+錨網噴+錨索聯合支護，錨桿長度2 400 mm，錨索長度7 300 mm。

2 理論計算

2.1 錨桿錨索規(guī)格驗算

2.1.1 按懸吊理論計算錨桿參數

L=KH+L1+L2

(1)

其中，L為錨桿長度，m；H為冒落拱高度，m，H=B/2f=5.1/2×3=0.85 m，f為巖石堅固性系數，取3；K為安全系數，一般取K=2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經驗取0.4 m；L2為錨桿在巷道中的外露長度，一般取0.1 m。計算得出的錨桿長度為2.2 m。

2.1.2 按圍巖加固范圍計算錨索長度

錨索宜錨固在圍巖內部較穩(wěn)定的巖層中，錨索長度按式(2)計算：

L′=La+Lb+Lc+Ld

(2)

其中，L′為錨索的總長度，m；Lb為需懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取1.7 m；Lc為上托板及錨具的厚度，一般不小于0.1 m；Ld為需要外露的張拉長度，一般不小于0.1 m。

經計算，錨索長度最少需要5.28 m，考慮同一水平巖石大巷掘進經驗，錨索長度確定為7.3 m較為合理。

2.2 按照圍巖塑性區(qū)估算

在巖體中，巷道的開挖不可避免地破壞巖體中原有的應力狀態(tài)，直接表現是周邊的徑向應力減小、圍巖強度明顯降低，切向應力增加，出現應力集中現象。當應力集中超過巖體的強度時，巖體進入塑性狀態(tài)。巖體塑性區(qū)的范圍，是錨桿參數的重要依據。圓形巷道圍巖塑性區(qū)見圖1。

巖巷的支護設計如圖2所示，錨索為7 300 mm，錨桿為2 400 mm，巖巷的斷面為L=4 840 mm，R=4 840 mm，H=1 500 mm，根據實際情況，R0的取值為該斷面的最大半徑，如圖3所示。

根據圖3可得R0的值：

(3)

圓形巷道塑性區(qū)的估算方法如下：

(4)

假如巖巷不考慮任何支護條件，即p1=0，認為塑性區(qū)得到了充分發(fā)展，其半徑最大值為Rmax，即：

(5)

其中，R0為巖巷半徑，R0=2 847.17 mm；p0為原巖應力；c為粘聚力；φ為內摩擦角。

在應用上式進行塑性區(qū)計算時，應考慮實際情況對c，φ值進行折減，c，φ值的折減一般按照下述經驗方法：1)選取c值時，如果計算塑性區(qū)最大半徑Rmax，可以取實驗值的20%～25%；2)選取φ值時，如果巖體中無充填物，按照其實驗值的90%為計算值。

根據上述經驗方法，結合陳家溝煤礦地質資料，上覆巖層的等效荷載為13.8 MPa，巖巷所在位置為粗砂巖，泊松比μ=0.17,c=2 MPa，內摩擦角φ=35°。根據式(5)計算，塑性區(qū)的范圍為：

即：

RP=4 030 mm。

兩幫塑性區(qū)的長度為：Lt=4 030-2 420=1 610 mm。

錨桿設計長度為2 400 mm，大于兩幫塑性區(qū)長度，滿足設計要求，同理，錨索也滿足設計要求。

3 數值模擬

本文采用有限元軟件ABAQUS，ABAQUS是一套功能強大的工程數值仿真軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS具有豐富的巖土材料本構模型，本文采用摩爾庫侖準則來模擬巖土材料。

表1 數值計算模擬的巖石力學參數

結合陳家溝煤礦地質勘測報告和相關的力學實驗參數(見表1)，本文建立了巖巷的數值計算模型(見圖4)，為了簡化計算模型，上覆巖層采用等效荷載的方式傳遞到數值計算模型上。

計算結果表明，巖巷兩側的塑性區(qū)域距兩側邊緣在1 370 mm左右，巖巷頂板的塑性分布距離頂板邊緣在6 900 mm左右，和理論計算相比較：

巖巷兩側的塑性區(qū)理論計算值和數值模擬結果誤差14%，短錨長度為L=2 400 mm>1 370 mm，滿足要求，錨索的長度為L=7 300 mm>6 900 mm，滿足要求。

4 結語

1)陳家溝該巖巷的塑性區(qū)的理論計算值分別為2 200 mm，1 600 mm，錨桿和錨索滿足設計要求。

2)數值模擬結果的塑性區(qū)在巖巷的兩側范圍在1 370 mm，在頂部的范圍在6 900 mm，錨桿和錨索同樣滿足設計要求。

3)理論結果和數值模擬結果較為吻合，兩者可以作為巖巷支護設計的重要方法。

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Chenjiagou coal rock tunnel supporting parameters design rationality analysis research

Li Xuejun

(ChenjiagouCoalMine,HuatingCoalandElectricityCo.,Ltd,Huating744100,China)

Combination of Chenjiagou coal geological exploration data and design data, using the method of theoretical calculation and numerical simulation, numerical simulation and calculation of rock plastic zone. According to the calculation results of the two, it is concluded that the range of plastic area, basis for bolt supporting parameters. The results show that the bolt design parameters in accordance with numerical computation and theoretical calculation results.

theoretical calculation, plastic zone, numerical simulation

1009-6825(2015)07- 0047- 02

2014-12-31

李學軍(1974- )，男，工程師

TD263

A