巷道圍巖變形控制技術研究

任晉娟

(山西高河能源有限公司，山西 長治 046102)

我國煤炭資源豐富，煤炭儲量位居世界第一，是我國能源儲量的主體。少油、少氣的現狀致使煤炭一直是能源消耗的主體。據統計，我國約80%的掘進作業在煤層中，由于煤層巖性較軟，使得掘進工作面巷道極易發生較大幅度的變形，嚴重威脅著礦山的正常生產。巷道支護對于煤層開采來說是一項關鍵技術，充分發揮支護的作用能夠有效地降低圍巖變形[1-2]。目前，不同礦井采用的錨桿支護方法不同，基于圍巖分類以及經驗計算得到的錨桿支護方法、基于理論計算方法得到的錨桿支護方法以及以現場監測數據為基礎得到的錨桿支護方法各有其適用性。但經過實踐證明，單獨使用一項方法并不能達到理想的支護效果，此前孫守孝[3]為解決巷道支護密度大，支護成本高的問題，通過理論計算對錨桿、錨索間排距進行優化，通過現場監測發現在降低支護成本的同時巷道穩定。侯興[4]為保障近距離下煤層巷道的穩定，采用“高強度、高預緊力錨桿”對巷道圍巖進行控制支護。本文利用數值模擬軟件對不同支護參數下巷道圍巖的應力場分布進行研究，給出了巷道的支護方案，為礦井安全生產提供依據。

1 數值模擬分析

不同支護參數下應力場的分布以及計算通過數值模擬軟件實現，對不同錨桿錨固方式下的圍巖應力場進行分析，模擬結果如圖1所示。

圖1 為不同錨桿錨固應力場分布云圖，從圖中可以看出支護方式不同，應力場分布云圖差異明顯。采用端部錨固支護時，錨桿的作用范圍較廣，但是錨桿自由段中間位置應力較??；當采用加長錨固時，此時的錨桿預應力作用范圍較端部錨固有了明顯的減小，但應力區域的厚度有所增大；采用全長錨桿支護時，錨桿的作用范圍較小，因此造成壓應力范圍的厚度較小。對比可以看出，全長錨固和加長錨固兩種方式下的錨固效果都不如端部錨固方式。當樹脂錨固劑固化后，適當提高預應力可以明顯改善全長錨固和加長錨固錨桿的支護效果。通過采用這種結構，可適當減少錨桿長度。

圖1 不同錨桿錨固應力場分布云圖

對不同錨桿錨固應力場分布云圖進行模擬，得到圖2所示的結果。

圖2 不同錨桿錨固應力場分布云圖

從模擬圖中可以看出，不同頂板角錨桿的角度不同，應力場分布有明顯差異，但是又有共同點。當角錨桿與中部錨桿形成的應力范圍出現疊加區域時，頂板處形成分布范圍交廣，厚度較大的應力范圍，該范圍可以覆蓋錨固區的大多數面積，此時錨桿支護效果最好。當錨桿角度呈現降低趨勢時，角錨桿形成的有效壓應力區與中部錨桿形成的有效壓應力區疊加明顯。從圖2(c)中可以看出，當角錨桿角度較大時，壓應力疊加范圍較小，當角錨桿角度較小時，壓應力疊加區域范圍較大，因此可以看出，巷道內進行錨桿支護時，最好以如圖2(a)中所示呈垂直分布，根據實際經驗以及現場施工需求，確保角度在15°以內。錨桿和毛筍支護下應力場分布云圖類似，因此用同樣的方法確定錨索的參數。一般而言，考慮到支護效果，應該綜合考慮錨索的長度、直徑、強度以及預應力等參數，高預應力可以有效控制圍巖的受力變形，因此支護效果更佳。

2 支護設計研究

為了保證巷道支護設計的合理性以及有效性，規定以下設計原則：

1) 一次支護原則。為了避免反復支護造成的巖體裂隙發育，因此需要盡量保證一次支護，確保一次支護下就達到有效控制圍巖變形的目的。一次支護原則下，不僅實現了一次性控制圍巖變形的目的，而且確保了巷道、硐室的長期穩定性，減少了維修費用，確保了安全生產。此外，一次支護可以將破碎的頂板巖層和完整性良好的巖層連接起來，形成一體、穩固的支護，減少了二次支護下破碎巖體的裂隙擴展發育，因此一次支護效果最佳。

2) 高預應力和預應力擴散原則。錨桿支護必須保證足夠的預應力，只有預應力達到一定值時，被動支護才可以轉化為主動支護，支護效果才最佳，高預應力和預應力擴散原則需要保證錨桿一定的預應力的同時，可通過托板、鋼帶等構件實提高錨桿的預應力，擴大支護范圍，提高支護的整體穩定性。

3) “三高一低”原則。“三高一低”原則是指支護是需要保證支護的強度、剛度以及可靠性較高，同時降低支護密度。降低支護密度的同時保證了支護強度，具有良好的經濟效益。

4) 臨界支護強度與剛度原則。臨界支護強度與剛度原則需要保證支護的強度的剛度要大于臨界支護強度的剛度值，才能保證支護的長期穩定性，起到控制圍巖變形破話的目的。

5) 相互匹配原則。錨桿錨索支護過程中需要確保各個零件部位相互匹配，實現時間與空間上的匹配，最大限度的發揮各個零件功能，實現良好的支護效果。

6) 可操作性原則。錨桿錨索的尺寸應該適應巷道參數，確保在井下可以完成支護操作，可操作性原則可以提高支護效率。

對于石灰巖頂板，屬于一類穩定頂板，直接頂板石灰巖厚度2.7 m，原則不用支護，由于煤層頂板中，兩層石灰巖夾著一層2 m后泥巖，巖性差別較大，變形不協調時，容易頂板巖層產生離層，發生冒頂，因此原有支護下采用錨索加強支護方式。錨索排距參數確定如下：考慮到頂板的巖石性質的不同，以及錨固段的長度等因素，因此采用直徑為15.2 mm、長為7 200 mm的錨索，錨索鉆孔的直徑為28 m，采用“三三”布置，錨索的間排距為1 800 mm×4 000 mm，確保錨桿的錨固力大于200 kN，預緊力大于120 kN，每根錨桿需要配合使用3個錨固劑進行錨固。

煤柱幫錨桿支護參數確定如下：考慮到支護強度，選擇強度大于335 MPa，長2 000 mm、D18 mm的左旋螺紋鋼錨桿進行支護。錨桿的間排距為800 mm×800 mm，每排各布置3根錨桿，每根錨桿配合使用一個樹脂錨固劑，為了確保錨桿的支護強度，錨桿的預緊力應該大于150 N·m，錨固力大于80 kN，與錨桿配合使用 的托板高度需大于36 mm。支護過程中需要用到網片，網片的規格如下：網片呈現菱形結構，菱形狀的網孔規格為50 mm×50 mm，整個網長2 700 mm，寬1 000 mm，網片貼著煤壁進行安裝，保證搭接長度大于200 mm，同時用間距為200 mm的鐵絲綁扎進行牢固。支護涉及到的鋼筋梯子梁規格如下：鋼筋梯子梁的直徑為14 mm，寬度為80 mm，長度為2.4 m，采用圓鋼加工而成。

工作面幫支護參數設計如下：工作幫的錨桿選擇強度大于335 MPa，長2 000 mm、D18 mm的左旋螺紋鋼錨桿進行支護。錨桿的間排距為800 mm×800 mm，每排各布置3根錨桿，每根錨桿配合使用一個樹脂錨固劑，為了確保錨桿的支護強度，錨桿的預緊力應該大于150 N·m，錨固力大于80 kN，與錨桿配合使用 的托板高度需大于36 mm。與錨桿相匹配的螺母型號為M20，與螺母匹配的托盤尺寸為120 mm×120 mm×10 mm，托盤的鋼號為Q235，同時需確保其高度大于36 mm。頂板支護方案如圖3所示。

圖3 巷道頂板支護示意

3 結 語

1) 通過數值模擬軟件得到了不同錨桿錨固方式下的應力場分布圖，發現不同錨固方式下圍巖應力場分布大不相同，需根據自身要求進行選定。

2) 利用數值模擬軟件對不同頂板角下應力場進行分析，結合施工需要，提出最佳的頂板角不應超過15°。

3) 綜合分析數值模擬結果以及實際地質情況，確定了加強支護方案，確保了安全回采工作的順利進行。