焦煤集團2130平硐斜風井錨網支護設計

摘要:論文通過應用數值分析軟件FLAC3D，針對焦煤集團2130平硐斜風井巷道圍巖設計支護參數并對其進行數值模擬實驗，通過圍巖破壞特征分析，表明所施行的錨網支護參數對圍巖支護是有效的。

關鍵詞:FLAC3D 數值模擬 支護設計

0 引言

2130平硐礦井隸屬于新疆焦煤集團有限責任公司，現為寶鋼集團新疆八一鋼鐵有限責任公司下屬公司之一。礦區地層劃分為北天山分區，伊林比爾干山小區及吐魯番小區一部分，區內發育的地層有古生代志留系、石炭系、二疊系，這些地層組成了本區山間凹陷的基底，在此基礎上又沉積了中生代三疊系、侏羅系和新生代的第三系、第四系地層，井田內上部煤層的頂、底板巖石抗壓強度及其它力學指標均很差，各煤層的頂、底板巖石穩固性屬不穩定的類別，工程地質條件屬中等的類型。

斜風井全段在巖層中，共近40m長，巷道圍巖堅硬易破碎，掘進過程中出現連續小范圍冒頂條帶，部區域圍巖變形更為劇烈，導致井筒無法正常施工。因此，對斜風井部分區段支護參數進行設計，合理解決支護難題，為2130平硐礦所亟需。

本支護設計主要是針對斜風井冒頂區段進行的，其井筒斷面為直墻半圓拱，凈寬4800mm，凈高4120mm，斷面凈面積為16.73m2，掘進面積為18.04m2，且巷道全在巖層中。根據現場實際情況，依據經典的塑性圈理論對巷道進行支護設計，然后分別應用FLAC3D對巷道開挖及支護過程劃分為進行數值計算分析，并對設計的支護效果作出評價。

1 斜風井井筒圍巖塑性區范圍確定

巷道頂底板均為較堅硬的淺灰色粉砂巖，底板為細沙巖。以下依據經典的塑性圈理論對巷道進行支護設計，然后應用數值計算程序(FLAC3D)對支護設計穩定性作出評價。

1.1 井筒圍巖塑性區范圍的確定 考慮本工程井筒的圍巖狀況，這里采用塑性圈理論確定圍巖塑性區范圍。

極限平衡下的塑性區半徑:

式中:Rs—井筒塑性區半徑(m);Ro—井筒外接圓半徑(m);γ—上覆巖石平均容重(MN/m3);H—井筒埋深(m);C—圍巖粘結力(MPa);φ—圍巖內摩擦角(°);

根據現場及提供的設計資料，取γ=0.0527MN/m3，H=27m。經計算得:Rs粉砂巖=3.83(m)

2 斜風井支護設計參數

設計采用混凝土噴層、金屬網、螺紋鋼錨桿與錨索組成的錨桿、錨索支護方案。支護參數如下:①頂板錨桿:選用Φ18×2000mm螺紋鋼錨桿，樹脂藥卷錨固，錨桿間排距800×800mm，但由于頂部巖層冒漏，可每隔兩排傾斜錨桿布置一排豎直錨桿。②兩幫錨桿:選用Φ18×2000mm螺紋鋼錨桿，樹脂藥卷錨固，錨桿間排距800×800mm。③井筒底部:選用Φ18×2000mm螺紋鋼錨桿，樹脂藥卷錨固，錨桿排距800mm，每排兩根，角度為45°。④頂板錨索:選用Φ15.24×6500mm單股錨索，4卷樹脂藥卷端錨，預緊力大于100KN，錨索間排距1500×1600mm，每排在巷道頂板施加三根錨索。⑤金屬網:鋼筋網:Φ6mm的Q235圓鋼制作，網格200×200mm，全斷面掛網。⑥全斷面混凝土噴層，噴層厚度為120mm。

3 斜風井支護參數后井筒圍巖穩定性分析

數值模擬計算結果表明:采用錨網支護后，巷道圍巖應力場分布有所改善(圖1)，進而增大了巷道周邊圍巖應力，減小了應力釋放范圍，提高了圍巖承載能力，對于維持巷道的穩定性起到了積極作用。

錨網支護狀態下巷道頂部最大破壞區厚度減小到2.5m，兩幫破壞區厚度減小到約4m(圖2)，頂板錨桿雖錨固長度比破壞區厚度小，但其能將錨固范圍內的巖體形成一個似整體的錨固平衡拱結構，仍能起到較好的加固效果，再加上頂板錨索已經深入到破壞區范圍外的穩定巖層，將下部的錨固平衡拱結構輔助懸吊于穩定巖層上，因此能對頂板起到較好的加固作用。巷道幫部破壞區在幫部錨桿的支護下破壞程度有所降低。

通過數值模擬可知，錨網支護時最大位移量約4.2cm，底板位移量為3.2cm，兩幫位移量約為3.0cm，底板由于未采取支護措施，位移減小量不大。錨桿(索)軸力在支護過程中遠小于其破斷力，其中錨索軸力為113KN，錨桿軸力大小為37KN，也達到了理想的支護效果。

通過以上分析可得:該錨網支護方案能較好的控制巷道圍巖塑性區的發展，也能有效控制巷道周邊位移，減小巷道變形，對保證巷道的穩定性起到了較好的支護效果。

4 結束語

在支護與不支護兩種條件下巷道圍巖情況的數值模擬，通過應力特征圖、破壞場圖和位移特征圖分析對比，可以明確對2130平硐礦井采用錨網噴加錨索聯合支護方式后，巷道破碎圍巖得到了很好的控制，減輕了工人的勞動強度，改善了作業環境，取得了明顯的技術效果，保證了安全生產。

參考文獻:

[1]伍永平，楊永剛，來興平，解盤石.巷道錨桿支護參數的數值模擬分析與確定[J].采礦與安全工程學報.2006，12.

[2]陳云浩，馮震海.應力場對錨桿支護影響的數值分析[J].礦山壓力與頂板管理.1998，8.

[3]陳東印.地下工程預應力錨桿支護數值模擬分析[D].泰安:山東科技大學資源與環境工程學院.2005，2.

[4]曹勝根，錢鳴高，繆協興，劉長友.綜放開采端面頂板穩定性的數值模擬研究[J].巖石力學與工程學報.2000，7.