郝偉偉
（山西中陽桃園容大煤業有限公司，山西 呂梁 033400）
以圍巖穩定性分級為基礎的工程類比法是目前國內外隧洞與地下工程錨噴設計的主要方法。但在施工前的設計階段，對圍巖性態的認識往往是不全面或不透徹的，很難對圍巖穩定性級別作出準確的判斷，只有在隧道開挖后圍巖特性被充分揭示，特別是在噴錨支護施工后，圍巖—噴錨支護相互作用、共同工作的性能被監控量測的信息所揭露后，才能對錨噴支護的適應性、安全性以及是否需要對設計參數進行調整作出正確的判斷，因此隧洞與地下工程錨噴支護設計必須采用工程類比與監控量測相結合的方法。目前理論分析的方法取得了長足進展，理論驗算法已成為大型或復雜地下工程錨噴支護設計的一種重要輔助方法[1]。
容大煤業井田位于呂梁市中陽縣北約21 km 處金羅鎮鄉前王家坡村、舍窠村一帶，行政區劃屬金羅鎮鄉管轄。井田地理坐標為東經111°11′31″～111°13′28″、北緯37°25′37″～37°27′19″。開采深度為由1 210 m 至850 m 標高。
井田南距中陽縣縣城約21 km，西北距離石區約27 km，西距209 國道及孝柳鐵路朱家店站約7 km，由簡易公路相連，沿209 國道向北可至呂梁市離石區，并與307 國道和青銀高速公路相連，經太原可通往全國各地，沿孝柳鐵路向東南可與南同蒲鐵路相通，交通運輸均較方便。
受采動影響的巷道是指地下礦山開采中受采礦工作面開采（采場爆破）、采空區及放頂等影響的巷道。對煤礦來說，包括采煤工作面回采巷道（順槽、開切眼、回撤通道及聯絡巷等），受采動影響的采區上下山與集中巷，及受采動影響的大巷與硐室等[2]。
受采動影響巷道的支護形式與參數主要根據受采動影響程度、圍巖地質與生產條件確定。受采動影響巷道承受不斷變化的采動力作用，最大采動應力一般高出原始應力數倍，導致圍巖應力集中嚴重，變形增大。因此，支護形式應以預應力錨桿為主，既能有效控制圍巖離層、結構面滑動、裂隙張開等有害變形，又具有一定的延伸率，允許圍巖有一定的持續變形，使高應力得以釋放[3]。
根據巷道條件，可選擇采用錨桿支護、錨桿金屬網支護、錨桿-鋼帶支護、錨桿-鋼帶（梁）-金屬網支護等支護形式。受采動影響巷道的使用條件有很大區別。對于服務年限很短（2 年以內），且圍巖受風化影響小的回采巷道，一般只采用錨桿支護，無須噴射混凝土支護；
對于圍巖受風化影響嚴重的巷道，及服務時間長的采區上下山、集中巷，大巷與硐室等，應采用錨噴支護；
對于服務時間長、圍巖變形大的巷道，宜采用韌性較大的鋼纖維噴射混凝土支護[4]。
對于受強烈采動影響、圍巖破碎的大變形巷道，單獨采用錨桿、錨噴支護，不能有效控制圍巖變形，不能保證巷道安全。在這種條件下，可將錨固與注漿有機結合，通過注漿充填圍巖內的裂隙，將破碎圍巖固結起來，改善圍巖力學性質，提高圍巖整體強度；
也可將錨桿、錨噴支護與金屬支架聯合使用，采用U 型鋼可縮性支架支護巷道[5]。
為全面了解受采動影響巷道圍巖支護體系的受力與變形狀況，應及時進行采動應力、圍巖變形、錨噴支護受力與變形的監測。根據監測數據評價巷道支護效果與安全程度，必要時，應調整錨噴支護形式與參數。
大量實踐經驗證明，單獨采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復雜性和多變性的特點，因而達不到理想的設計效果。只有采用包括試驗點調查和地質力學評估、初始設計、井下監測和信息反饋、修正設計和日常監測的動態信息設計方法，才是符合井下巷道圍巖特性的科學的設計方法。其中試驗點調查包括圍巖強度、圍巖結構、地應力及錨固性能測試等內容，在此基礎上進行地質力學評估和圍巖分類，為初始設計提供可靠的參數。初始設計采用數值計算和經驗法相結合的方法進行，根據圍巖參數和已有實測數據確定出比較合理的初始設計。然后將初始設計實施于井下，并進行詳細的圍巖位移和錨桿受力監測，根據監測結果驗證或修正初始設計。正常施工后還要進行日常監測，保證巷道安全。本設計包括試驗點調查和地質力學評估，錨桿支護初始設計，井下施工所需材料、設備和工藝，礦壓監測設計和儀器等內容。
確定支護參數的原則：
1）“三高一低”。高強度，高剛度，高可靠性，低密度。
2）臨界支護強度剛度。支護強度剛度不能低于臨界。
3）高預緊力。高預緊力為關鍵參數，應達到桿體屈服載荷30%～60%。
4）相互匹配。支護參數須相互匹配，保證支護整體性能。
巷道斷面形狀應根據巷道的用途、圍巖條件、礦壓特點、服務年限、支護方式、掘進工藝等因素確定，并應符合承壓性能好、斷面利用率高、掘進與支護費用低的施工要求。設計了主要針對6 號煤層二采區下山及回采巷道，見表1。
表1 主要設計巷道情況
錨桿支護理論計算法主要是利用懸吊理論、組合梁理論、自然平衡拱理論、組合拱（壓縮拱）理論以及其他各種力學方法，分析巷道圍巖的應力與變形，進行錨桿支護設計，給出錨桿支護參數的解析解。下面采用自然平衡拱理論，確定相應的錨桿支護參數。
根據6 號煤層巷道形狀和圍巖變形特點，采用自然平衡拱理論進行計算。煤幫破壞深度C 的計算如下：
式中：Kcx為巷道周邊擠壓應力集中系數；
γ 為巷道上方至地表間地層的平均重力密度；
H 為巷道距地表深度；
B 為表征采動影響程度的無因次參數；
fy為煤層堅固性系數；
h 為巷道輪廓范圍內煤層厚度；
φ 為煤的內摩擦角。
將相關數據代入式（1），可得到四條巷道兩幫破壞深度據結果，計算結果見表2。
表2 6 號煤層二采區巷道兩幫破壞深度計算
通過表2 計算結果，由于煤層薄、煤比較堅硬，順槽和下山巷道兩幫變形比較小，順槽為0.76 m，下山為0.28 m。
巷道頂板破壞深度b 計算如下：
式中：a 為巷道的半跨距；
α 為煤層傾角；
ky為待錨巖層的穩定性系數；
fn為錨固巖層的硬度系數。
將相關數據代入式（2），可得到四條巷道頂板破壞深度結果，計算結果見表3。
表3 6 號煤層二采區巷道頂板破壞深度計算
通過表3 可以看出，由于巷道頂板為石灰巖頂板，巷道的自穩能力很強，巷道頂板破壞深度最大約0.23 m。
通過對巷道圍巖的物理力學性能測定、頂板圍巖賦存特性研究、多種理論計算等，對巷道采用錨桿支護做出如下結論：
1）L5 石灰巖抗壓、抗拉力學性能較厚，賦存厚度穩定，巷道開掘后頂板自穩長度較長。充分利用圍巖自穩能力，減小錨桿數量，在層理裂隙區域增加錨索支護。L5 灰巖之上的砂質泥巖力學性能相對較好，設計中將1～5 層巖層：L5 石灰巖、砂質泥巖、炭質泥巖、5 號煤層、砂質泥巖歸為一體，受控于L5 關鍵層。
2）根據現場實際測量，目前的錨桿支護在材料選用、工藝、質量控制方面仍有待提高，后期要加強支護質量管理。根據圍巖地質力學評估和現場調查，認為6 號煤層二采區錨桿支護可行。
猜你喜歡采區錨桿頂板稠油熱采區塊冷采降粘技術應用中國應急管理科學(2022年2期)2022-05-23噴淋裝置在錨桿鋼剪切生產中的應用山東冶金(2022年1期)2022-04-19浮煤對錨桿預緊力矩的影響煤(2020年5期)2020-06-01初次來壓期間不同頂板對工作面片幫影響研究中國煤炭工業(2019年5期)2019-11-0411采區永久避難硐室控制瓦斯涌出、防止瓦斯積聚和煤層自燃措施建材發展導向(2019年5期)2019-09-09地下室頂板開大洞對嵌固能力的影響智能城市(2018年7期)2018-07-10錨桿參數對圍巖支護強度的影響西部資源(2017年5期)2018-02-23基于Delphi-TOPSIS法的露天礦采區接續方案優選中國煤炭(2016年9期)2016-06-15淺埋長工作面非堅硬頂板見方強來壓機理分析中國煤炭(2016年9期)2016-06-15煤礦頂板錨固體失穩模式探測儀的研發與應用中國煤炭(2016年9期)2016-06-15