快速掘進巷道錨桿支護技術優化分析

潘 翔

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司，山西 大同 037000）

現在，在掘進半煤巖的下山巷道而言，有下面一些問題存在于其中：①所形成的巷道是比較差的，會有嚴重的超欠挖與破壞發生在圍巖中，而且在掘進巖層中，比較顯著的是破碎的、松軟的，這就導致有不少的支護材料被浪費掉，當迎頭操作時，安全性不高。②在掘進半煤巖的巷道時，速度是非常緩慢的，對以后工程的安排和施工有非常大的影響。③因為下山有一定的角度，所以在運輸裝巖時會有比較大的難度。④在循環時間內，治理涌水所用的時間也占有一定的比例，對掘進巷道的速度有一定的影響，而且巖石因為水的軟化而降低巖層的穩定性，支護巷道的難度增大。而且，由于煤層所選取運輸方法是分裝分運，循環組織所具有的復雜性非常高，并且該組織是正規的，比較低的平行作業水平[1]。所以，研究掘進錨桿支護的主要參數的意義非常深遠。

1 建立數值模擬的模型

當進行建模時，把馬道頭煤業工程的施工現場當作案例，在加密靠近巷道的全部網格，由于有不少的加密的網格節點，所以對應力與節點位移的計算的精準性就越高。而且，由于受限于計算能力，若把所有的網格進行加密，就會延長計算所用的時間，那么計算邊界處的最終結果就一點意義也沒有了。在對模型進行設計時，其長、寬、高對應數據是5m、60m、60m，y軸與巷道軸為同一方向[2]。節點與單元體構成了數值模擬模型，其對應的數量分別是23766、19200，圖1 就是數值模擬模型。

圖1 數值模擬模型

2 設計數值模擬原支護方案

在巷道中，原支護方案所選取的是U型鋼帶+錨索網，所使用的錨桿是強樹脂的、全螺紋的、其規格是D22mm×2200mm，1排就有12根錨桿，把6根打設到頂板中，還要6根分別打設在兩幫，排與排之間的距離是800mm×1000mm，把首根錨桿打設到頂幫中，而且錨桿與頂的距離有700mm，二者在上傾所成的角度是15°；所使用的錨索的具體規格是15.24mm×5500mm，1排就有2根錨索，排與排的距離是2000mm×2000mm。在U型鋼帶中，面向外面的是凹面，和金屬網緊挨的是平面[3]。

運算與模擬巷道的原支護方案，而且還分析了該結果，圖2就是圍巖應力云圖。

在圖2a內能夠發現，當鋼帶與錨索網聯合支護時，以水平方向的線當作中心，頂板在水平方向的應力的分布對稱不完全，以垂直方向當作中心，兩幫在水平方向的應力的分布對稱幾乎是完全的。所以，在開始挖掘巷道之后，頂板與頂板由于破壞而導致不同程度的變形，而右幫與左幫由于破壞而導致幾乎相同程度的變形。并且有應力峰值出現的位置是和巷道的中心距離12.6m的位置，其峰值是36.6MPa。和巷道的中心線有14.4m距離處出現了底板在水平方向的應力的值中的最大的值，其值是40.8MPa，而且應力變化是小—大—小，然后在逐漸走向穩定[4]。

3 分析與模擬新支護方案

3.1 簡述新支護方案

在把該礦之前的原支護方案中的不足進行分析之后，并把原支護中的全部參數當作參考，進而把新支護方案提出來，并選用下面幾類新方案來比較其技術經濟與分析數值模擬，把最適宜的方案選出來。

A方案:使用的是底板錨索+錨索網。把錨索與錨桿打設到頂板中，把錨桿打設到幫部，把錨索打設到底板。相鄰排的錨桿之間距離是800mm×1000mm，相鄰排的錨索之間的距離是2000mm×2000mm。

B 方案:使用的是底板錨索+鋼帶+錨索網。把錨索與錨桿打設到頂板，錨桿打設到幫部，錨索打設到底板，而且鋼帶的形狀是W 型的。相鄰排的錨桿之間距離是800mm×1000mm，相鄰排的錨索之間的距離是2000mm×2000mm。

C 方案:使用的是底板注漿+鋼帶+錨索網。把錨索與錨桿打設到頂板，把錨桿打設到幫部，把漿注入到底板的淺孔處，其深度是2.5m，而且鋼帶的形狀是W型的。相鄰排的錨桿之間距離是800mm×1000mm，相鄰排的錨索之間的距離是2000mm×2000mm。

D方案:使用的是錨索注漿+底板注漿+鋼帶+錨索網。把錨索與錨桿打設到頂板，把錨桿打設到幫部，把漿注入到底板中的淺孔中，把錨索打設到底板，而且該底板的注漿位置是中空，鋼帶的形狀是W 型。相鄰排的錨桿之間距離是800mm×1000mm，相鄰排的錨索之間的距離是2000mm×2000mm。相鄰排的底板注漿之間的距離是2000mm×3000mm，其深度是2.5m，相鄰排的其中空注漿之間的距離是2000mm×3000mm，在布置這兩種孔的形式是交錯[5]。

3.2 模擬分析新支護方案的水平應力

圖3就是4種支護方案的頂底板水平應力圖，在圖3中能夠發現，巷道頂板與底板的圍巖在這4種支護方案中的應力在水平方向所發生的改變。A方案與原支護方案，B、C、D 方案的應力曲線與頂板的個別部位的不同，這是由于當支護頂板使用A 方案與原支護方案后個別的巖體依然不是完整的。圖的右邊與左邊分別是頂板、底板在水平方向的應力曲線[6]。而且二者的應力走向均為快速上升在慢慢下降，然后在逐漸走向平穩，最后使原巖的應力得到恢復。

圖3 4種支護方案的頂底板水平應力圖

A方案:使用的是底板錨索+錨索網。把原支護和A方案進行比較，A方案中在水平方向頂板與底板的應力的峰值和巷道中心的距離最小，降低了巷道形變的區域。

B 方案:使用的是底板錨索+鋼帶+錨索網。在B方案中，底板應力的最大值所在的位置是10.96m，其應力值高達40.7MPa，可原支護應力的最大值所在的位置是14.4m，其應力值高達40.8MPa，在A方案中，其應力的最大值所在位置是12.6m，其應力值高達40.3MPa。二者相比較而言，在B 方案中，其應力峰值的點和巷道中心的距離最小，塑性變形的區域最小，具有較好的支護成效，在使用B 方案時，存在于頂板、底板的巖體中的個別破碎不存在。

C 方案:使用的是底板注漿+鋼帶+錨索網。當使用C 方案時，頂板與底板在水平的應力是較為規律地分布著，曲線基本上沒有太大的波動，底板所具有的巖性不會由于注漿而發生變化，對底鼓進行治理，能夠使底板更加穩定。在C 方案中，底板與頂板在水平方向的應力的最大值所在的位置是與巷道中心有7.6m、6.9m，其應力最大值分別高達40.9MPa、44.5MPa，大幅度降低了圍巖塑性改變區域，有較為理想的支護成效。

D方案:使用的是錨索注漿+底板注漿+鋼帶+錨索網。當使用D 方案進行支護時，對頂底板所分布的水平應力的規律進行分析，巷道具有較好的穩定性。頂板與底板在水平方向的應力最大所在的位置分別是3.7m、4.6m,其相應的應力高達40.3MPa、42.1MPa，其塑性改變區域和A、B、C 方案相比較，該方案的要小。在該方案中，巖體所具有的性質會由于注漿而發生改變，把巖體所具有的能力中的自承能力完全發揮出來，把錨固體的錨固力增強。支護成效在該方案中還是較為理想的[7]。

圖4 就是4 種支護方案的兩幫水平應力圖。從圖中能夠看出，以巷道中心為中心點，巷道兩幫在水平方向的應力的分布是完全對稱的，而且兩幫在水平方向的應力走向均為先迅速上升再慢慢下降，然后再逐漸走向平穩，最終使原巖的應力得到恢復。由于支護方案不同，所以應力會有不同的增長速度，A方案與原支護在未到達峰值時應力是緩慢增長的，沒有較好的支護成效。可是剩余3種支護方案在巖體未到達峰值時應力是快速增長，具有較好的支護成效。

圖4 4種支護方案的兩幫水平應力圖

A方案:使用的是底板錨索+錨索網。把原支護與A方案進行比較，A方案的支護成效要好于原支護，左幫與右幫的最大應力值沒有太大差別，而且應力峰值和巷道中心二者之間的距離沒有太大差異。

B 方案:使用的是底板錨索+鋼帶+錨索網。當使用B 方案進行支護時，左幫與右幫在水平方向的最大應力值所在的位置分別是12.2m、12.3m，其相應的最大應力值高達25.8MPa、26.5MPa。

C 方案:使用的是底板注漿+鋼帶+錨索網。經過把漿液注入到底板，左幫與右幫水平應力的峰值和巷道中心的距離分別有9.8m、9.9m，其相應的峰值為24.7MPa、24.6MPa。

D方案:使用的是錨索注漿+底板注漿+鋼帶+錨索網。在圖4 中能夠看出，D 方案的支護成效，和之前幾種支護進行比較，D 方案的圍巖在水平方向的應力逐漸恢復成原巖應力所用的時間最短，而且圍巖最深位置應力峰值與巷道中心的距離最小，兩幫發生塑性改變的區域是最小的，整個巷道是最穩定的。左幫與右幫在水平方向的最大應力值所在的位置分別是7.5m、7.6m，其相應的最大應力值高達28MPa、28.1MPa。巖體所具有的強度由于注漿而發生改變，使錨索的錨固力增加，使整個巷道更加穩定。

3.3 選取最佳的支護方案

當支護使用D方案時，控制圍巖的效果最佳，確保了掘進巷道之后和進行回采時的工人的人身安全與穩定性。而且從經濟方面來說，盡管在D 方案使用的初期會投入比較多的資金，可是以后的維護費用并不多，不管在安全方面還是在經濟方面來說，選擇使用D 方案合理性最佳。

4 結束語

（1）和巷道中心的距離越大，那么應力會慢慢恢復成原應力，巷道中心越遠位移就越小，最后一直減小至零；

（2）當巷道使用原支護方案時，因為不治理底板，所以整個巷道所具有穩定性不高，變形量也不小，沒有較好的支護成效；

（3）當把4 種新方案提出來之后，因為要把治理底板考慮進來，所以會有較好的支護成效，最理想的支護成效就是D方案，巷道的變形量與位移量均不大。