中興礦層狀頂板拱形巷道支護設計及應用效果淺析

郭 向 前

（汾西礦業集團中興煤業公司，山西 交城 030500）

1 工程概況

中興礦目前準備進行三采西翼回風巷的掘進作業，巷道設計為直墻半圓拱形斷面，凈寬5000mm，直墻高2400mm，凈高4200mm，設計長度為1988m，三采西翼回風巷工作面沿2# 煤層底板掘進，2# 是厚2.02m 左右中厚煤層，平均傾角8°，為半煤巖巷道，上覆巖層依次為1.8m 的碳質泥巖、0.5m 的頁巖、0.8m 的砂巖、4.5m 的砂質頁巖、8m 的砂巖，抗壓強度依 次 為 39.2MPa、20.2MPa、27.1MPa、22.2MPa、39.2MPa，其中頁巖與泥巖遇水易發生軟化。現針對該巷道拱形斷面及層狀巖層頂板的特點對巷道的支護參數進行理論計算。

2 拱形巷道圍巖變形特征的理論分析

2.1 拱形巷道破壞特征

一般巷道開挖后，圍巖均會受擾動而進入塑性狀態，而中興礦三采西翼回風巷為拱形巷道并且頂板為遇水易軟化的層狀巖層，因此如果頂板的支護強度不足時，會發生離層片幫的現象。頂板離層所產生的載荷會經拱弧段傳遞到兩幫的圍巖上，從而使巷幫承受壓力增大產生變形、甚至片幫。因此在巷道支護參數設計時應保證頂板拱弧段有足夠的支護強度。下面分析具有層狀巖層頂板的三采西翼回風巷拱形斷面中拱肩處的變形特點。

2.2 拱肩變形理論分析[1]

將巷道圍巖參數代入式1 可以得到松動范圍高度。

式中：H 為巷道圍巖松動范圍的高度，m；b 為拱形斷面的寬度，取5.0m；a 為拱形斷面的高度，取4.2m；f 為巷道圍巖的堅固性系數，取1.5。經計算得出三采西翼回風巷圍巖松動范圍的高度為1.38m。

式中：q 為拱頂受覆巖垂直應力的大小，kN/m2；γ為拱頂覆巖容重，取24.0kN/m3，H 為巷圍巖松動范圍的高度，取1.38m。

進一步由式2 可以計算出巷道拱頂巖層受到覆巖的垂直應力為162.83kN/m2。

根據式3 可以計算出巷道拱頂形成的懸臂巖梁所承受的載荷為467.33kN。

式中：pn為第n 層巖層受上覆n+1 層的壓力，kN；ln為第n 層巖層從拱形巷道直墻面至自由端的距離，m；為第 n 層巖層的容重，kN/m3；hn為第 n 層巖層厚度，m。

將式3 的計算結果帶入式4，就可以迭代計算出拱頂至起拱線間每一巖層受上覆巖體傳遞下來的壓力，p 頂、pn、pn-1、…p2、p1。

得到起拱線至拱頂各層位巖層所受覆巖壓力后，根據巖石的破壞機理[2]，進一步求出各層巖層的折斷點坐標xt及產生剪切破壞的位置xc。計算結果見表2。

表2 2# 煤層頂板巖層計算結果

當巖梁的折斷點坐標xt＞巖梁產生剪切破壞的距離xc時，巖梁在xt 處發生拉破壞；當巖梁的折斷點坐標xt＜巖梁產生剪切破壞的距離xc時，巖梁在xc處發生剪破壞。因此通過表2 發現：理論計算出的頂板覆巖中頁巖、砂巖、砂質頁巖可能會在拱形巷道的拱肩處發生剪破壞和拉破壞。因此為了避免巷道掘進支護后有拱肩處層狀巖層拉破壞和剪破壞現象的發生，需要在設計支護參數時考慮對拱肩處巖層的控制。

3 支護參數的優化設計及應用效果

3.1 三采西翼回風巷合理支護參數的確定[3～4]

考慮到三采西翼回風巷為具有層狀巖層頂板的拱形巷道，其頂板巖層物理力學性質軟弱，且頂板中碳質泥巖和頁巖等遇水后的易產生弱化，因此通過采用高強度的錨桿錨索并保證足夠的錨固長度來避免層狀巖層破斷、離層現象的發生。結合礦方現有材料，設計中的錨桿索分別選用左旋螺紋鋼錨桿及鋼絞線錨索。

3.1.1 錨桿參數的確定

依據組合拱理論和非彈性區理論進行支護參數優化設計。首先對巷道頂板支護進行分析，根據式5確定頂板塑性區半徑后即可得到該巷道的圍巖破壞范圍。

式中：r 為巷道等效圓半徑，取2.5m；P 為累計地應力，取 7.217MPa；C 為巖層內聚力，取 1.8MPa；φ 為巖層內摩擦角，取31°。將上述參數帶入式5 得到巷道頂板塑性區半徑R0為3.75m。

冒落拱高度b 可由式6 計算得到，從而計算出冒落拱內松動圍巖的截面面積，由式7 可得到頂板錨桿承受的冒落拱內松動巖石的重量G1。

式中：K1為動壓影響系數，取1.8；γ為冒落拱內各巖層的加權平均容重，取18kN/m3；S 為冒落拱內松動圍巖的截面面積，取10.8m2；D 為錨桿排距，取1.0m。經計算頂板冒落拱內錨桿所承受的松動圍巖重量 G1為 244.93kN。

三采西翼回風巷頂板左旋螺紋鋼錨桿直徑22mm，載荷為70kN，則根據244.93/70=3.499 設計該巷道頂板每排4 根錨桿，間距1.2m。

式中：L1為頂板錨桿錨固長度；G1為式7 計算所得松動圍巖重量，244.93kN；m 為安全系數，1.5；d 表示安裝錨桿的鉆孔直徑，0.042m；為樹脂錨固劑巖與圍巖之間形成的抗剪強度，取7×25×106Pa。經計算L1=0.92m，故1.1m 為合理的錨桿錨固長度，由L頂=a2+L1+0.1 確定頂板錨桿長度為2.6m。

三采西翼回風巷巷幫錨桿選用Φ20 的左旋螺紋鋼錨桿，由普氏冒落拱理論可得兩幫不穩定時的松動范圍計算公式如下，其中h 表示巷道寬度。

通過計算得到三采西翼回風巷巷幫不穩定的范圍為2.38m，故確定巷幫錨桿長度為2.4m，巷幫錨桿的錨固長度為600mm，間排距1.0×1.0m。

故最終確定三采西翼回風巷頂板每排布置5 根直徑22mm 長度2600mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間距1.2m 排距1m，錨固長度1.1m，每根錨桿使用一卷K2355 和一卷Z2355 型錨固劑；巷幫兩側每排布置5根直徑20mm 長度2400mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間距1m 排距1m，錨固長度600mm，每根巷幫錨桿使用一卷Z2355 型錨固劑。

3.1.2 頂板錨索參數的確定

為了充分控制拱形巷道拱肩處的層狀巖層，同時借鑒其他礦井拱形巷道的支護參數設計，設計三采西翼回風巷頂板每排布置3 根Φ21.6 的鋼絞線錨索，間距為1200mm。

錨索的排距由冒落拱內各巖層的重量來確定，通過式10 可以得到錨索的排距。

式中：a 為巷道的跨度，取5m；γ 為各巖層的加權平均容重，取18kN/m3；σ 為錨索的極限破斷力，取220kN；k 為安全系數，取1.2。經過計算確定錨索的排距為2.0m。

根據式11 可以得到頂板錨索的錨固長度。

式中：K 為安全系數，取1.5；P 為錨索的抗拉強度，取220kN；D 為錨索鉆孔直至，取0.032m；為樹脂錨固劑巖與圍巖粘結力，取1.8×106Pa。經計算La=1.56m，故1.6m 為合理的錨索錨固長度，確定錨索長度7m，使其能夠錨固在穩定巖層上。

故最終確定三采西翼回風巷頂板每排布置3 根長度為7m、Φ21.6 的鋼絞線錨索，間距為1200mm 排距2000mm，錨固長度1.6m，每根錨索使用一卷K2355 和兩卷Z2355 型錨固劑。

綜上所設計的三采西翼回風巷具體支護參數如圖1 所示。

對三采西翼回風巷的支護參數進行優化設計后，頂 板 錨 索 的 總 承 受 力 F1=np ×1.0=2 ×220 ×1.0=440kN，頂板錨桿的總承受力F2=np×1.6=5×70×1.6=560kN，故頂板總承受力F=F1+F2=1000kN＞314.93kN，故認為設計合理。

3.2 應用效果

三采西翼回風巷在應用優化后的支護參數后，通過在掘進迎頭布置巷道內布置測站分析巷道開挖直至穩定期間的圍巖變形數據來檢驗所優化的支護參數的合理性，數據如圖1。

圖1 優化后具體支護參數示意圖

圖2 支護優化后掘進巷道圍巖變形情況

觀察圖2 發現：在應用優化后的支護參數后，三采西翼回風巷在掘進初期的兩幫移近量為10mm 左右，頂底板移近量為20mm 左右，并且拱肩處沒有出現破斷垮落現象，在掘進后穩定期巷道的頂底板移近量控制在40mm，兩幫移近量控制在20mm，整體圍巖變形量小，支護參數設計合理。

4 結 論

中興煤礦三采西翼回風巷為拱形巷道且頂板為遇水易軟化的層狀巖層，通過理論分析計算出的巷道拱肩巖層的破壞位置及破壞形式發現當拱肩處的支護強度不足時會發生層狀巖層破斷垮落的現象，因此針對巷道特點在組合拱理論和非彈性區理論基礎上對巷道支護參數進行設計。經過現場應用發現使用優化參數后，掘進初期拱肩沒有出現破斷垮落現象，并且圍巖控制在允許變形范圍內，證實該支護參數可以保證三采西翼回風巷的安全掘進。