向斜構(gòu)造影響范圍內(nèi)全煤巷道支護(hù)技術(shù)

劉文

向斜構(gòu)造影響范圍內(nèi)全煤巷道支護(hù)技術(shù)

劉文

大同煤礦集團(tuán)白洞煤業(yè)公司C5#煤層301盤區(qū)5102巷位于向斜構(gòu)造影響范圍內(nèi)，巷道圍巖破碎。為控制巷道穩(wěn)定性，在“支護(hù)-圍巖共同作用”原理指導(dǎo)下，借鑒現(xiàn)有錨桿支護(hù)理論，以形成“整體錨固結(jié)構(gòu)”為出發(fā)點(diǎn)，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析結(jié)果、巖石力學(xué)理論，研究、設(shè)計(jì)了5102巷的支護(hù)方案和相應(yīng)的錨固技術(shù)參數(shù)。工程實(shí)踐證明，支護(hù)方案和技術(shù)參數(shù)適應(yīng)5102巷施工及穩(wěn)定性控制需要。

圍巖；整體錨固結(jié)構(gòu)；錨桿；支護(hù)

0 引言

從19世紀(jì)末期英國(guó)北威爾士露天頁巖礦首次應(yīng)用錨桿加固邊坡起，錨桿支護(hù)方法便逐漸被廣泛應(yīng)用于水利、交通、礦山等工程領(lǐng)域，在錨桿支護(hù)技術(shù)改進(jìn)和提高的同時(shí)，錨桿支護(hù)理論也不斷得到發(fā)展和完善。由于具有成本低、施工方便、適應(yīng)性好等優(yōu)越性，錨桿支護(hù)技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外采礦工程界的普遍重視，并得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，已經(jīng)逐漸成為占據(jù)主導(dǎo)地位的礦山巷道圍巖支護(hù)形式。但是，由于錨桿支護(hù)參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)巷道圍巖的具體條件、與圍巖條件相適應(yīng)的錨桿作用原理加以確定，因此錨桿支護(hù)技術(shù)在使用時(shí)往往具有很強(qiáng)的針對(duì)性，不能一概而論。本文依據(jù)白洞煤業(yè)公司C5#煤層301盤區(qū)5102巷所處的圍巖環(huán)境，選擇先進(jìn)的支護(hù)理論，對(duì)巷道支護(hù)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究，有關(guān)結(jié)論會(huì)對(duì)類似巷道的支護(hù)提供借鑒。

1 5102巷道工程地質(zhì)條件

白洞煤業(yè)公司地處大同市西南的口泉溝中部，井田位于大同北部煤田的東南部。該公司的5102巷位于公司井田C5#煤層內(nèi)，是為滿足C5#東部301盤區(qū)8102工作面的回風(fēng)、管線敷設(shè)要求而開掘的，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 656 m。巷道沿C5#煤層底板掘進(jìn)。C5#煤層厚度為10.17 m～16.89 m，平均11.12 m。煤層普遍有5～10層夾石，夾石厚度一般不超過0.30 m，多為炭質(zhì)泥巖。

C5#煤層老頂為礫巖，厚度為7.50 m左右，屬鈣質(zhì)膠結(jié)，礫石直徑在3 cm～10 cm范圍之內(nèi)。該老頂下部的局部偶有粉砂巖存在，厚度約為2.7 m；直接頂為泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度在5.00 m左右；直接底為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，厚度在1.72 m左右。

C5#煤層301盤區(qū)的東部靠近礦界處發(fā)育有一向斜構(gòu)造，軸向近于南北向，5102巷位于該向斜構(gòu)造的東翼，處于構(gòu)造影響帶內(nèi)。

研究結(jié)果表明[1]，由于5102巷道開掘于上述向斜構(gòu)造影響區(qū)域，巷道圍巖破碎，裂隙發(fā)育，具有剪切滑動(dòng)面，極易冒落，按照國(guó)際常用的工程巖體RMR分類方案進(jìn)行圍巖分類時(shí)，該巷道圍巖介于Ⅳ級(jí)巖體和Ⅴ級(jí)巖體之間，屬于“差”和“極差”之間的過渡級(jí)別。

2 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 巷道圍巖加固原理分析

在對(duì)白洞煤業(yè)公司C5#煤層5102巷道穩(wěn)定性進(jìn)行維護(hù)時(shí)，應(yīng)遵循“支護(hù)-圍巖共同作用原理”，充分利用和發(fā)揮圍巖的自承能力，以便降低支護(hù)成本，獲得最佳支護(hù)效果。從目前國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐情況看，選擇錨桿加固巷道圍巖是最合理的選擇。一般情況下，錨桿支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)可以在錨桿的懸吊、組合梁、組合拱等理論指導(dǎo)下進(jìn)行，但是對(duì)全煤巷道錨桿支護(hù)的相似模擬研究成果表明[2]，錨桿布置方式不同，圍巖的加固效果也會(huì)有所不同，錨桿加固后以在圍巖中形成整體錨固結(jié)構(gòu)為宜，其中以形成整體拱形錨固結(jié)構(gòu)（見圖1b）為最佳，形成整體普通錨固結(jié)構(gòu)（見圖1a）次之。整體錨固結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)了巷道頂板與兩幫在錨桿加固作用下的整體性，對(duì)采區(qū)巷道的大變形具有很好的適用性。從理論上看[3]，整體錨固結(jié)構(gòu)的形成依賴預(yù)應(yīng)力錨桿施加在圍巖上的預(yù)緊力，而錨桿的預(yù)應(yīng)力也在工程實(shí)踐中越來越受到重視[4]。目前，普通整體錨固結(jié)構(gòu)已經(jīng)在理論研究上進(jìn)行了系統(tǒng)研究，所得結(jié)論已經(jīng)用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，而整體拱形錨固結(jié)構(gòu)的理論分析研究有待實(shí)質(zhì)性突破。

圖1 整體錨固機(jī)構(gòu)的兩種形式

從支護(hù)原理上看，白洞煤業(yè)公司C5#煤層5102巷道在支護(hù)方案制定以及相應(yīng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以“采用預(yù)應(yīng)力錨桿，在圍巖中形成整體錨固結(jié)構(gòu)”為基本出發(fā)點(diǎn)。

2.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

按照整體拱形錨固結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖進(jìn)行錨桿加固，一方面要求不同安裝位置的錨桿的長(zhǎng)度和安裝方向是不同的，這會(huì)給備料以及施工帶來麻煩；另一方面，相關(guān)理論的研究還沒有達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)的地步。而普通整體錨固結(jié)構(gòu)的頂板錨桿、幫錨桿可以分別保持長(zhǎng)度一致，僅在巷道頂、底角部對(duì)安裝方向有特殊要求，所以在工程上更容易實(shí)現(xiàn)，在滿足工程需要的前提下，可按照形成“整體普通錨固結(jié)構(gòu)”的理念進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，錨桿錨固方式為全長(zhǎng)錨固。落拱高

式中：B——巷道跨度；

H——巷道高度；

φ——兩幫煤層的內(nèi)摩擦角；

f——煤層的普氏系數(shù)。

兩幫最大破壞深度

5102巷設(shè)計(jì)跨度為4.2 m，設(shè)計(jì)高度為3.3 m，C5#煤層的內(nèi)摩擦角為32.87°，普氏系數(shù)為1.8，由式 (1)、式（2） 計(jì)算得到的頂板冒落拱高為2.16 m，兩幫最大破壞深度為1.8 m。

綜合上述分析并考慮錨固長(zhǎng)度和外露長(zhǎng)度，頂錨桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為2.4 m，幫錨桿長(zhǎng)度為2.2 m。

2.2.2 錨桿的間排距

研究表明，錨桿長(zhǎng)度相同時(shí)，不同直徑錨桿的布置間排距與巷道承載能力增量的關(guān)系呈反變關(guān)系（見圖2）。為增加整體錨固結(jié)構(gòu)的承載能力，盡可能減

圖2 錨桿長(zhǎng)度相同時(shí)間排距與承載增量的關(guān)系

2.2.1 錨桿長(zhǎng)度

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)5102巷道圍巖的開挖松動(dòng)范圍實(shí)測(cè)結(jié)果表明，兩幫圍巖的松動(dòng)厚度為1.2 m～1.5 m，頂板圍巖的松動(dòng)厚度為1.4 m～1.8 m，因此幫錨桿的有效長(zhǎng)度應(yīng)在1.5 m以上，頂錨桿的有效長(zhǎng)度應(yīng)在1.8 m以上。

根據(jù)普氏地壓理論[5]，兩幫松軟的煤巷其頂板冒小錨桿布置的間排距是很有必要的。綜合考慮支護(hù)效果與成本以及施工經(jīng)驗(yàn)，錨桿間距選擇為0.8 m,排距選擇為1.0 m。

2.2.3 錨桿的直徑、預(yù)緊力與材質(zhì)

目前，工程上應(yīng)用的巷道錨桿其桿體直徑已經(jīng)規(guī)格化、系列化，尺寸為16 mm、18 mm、20mm、22 mm、24 mm。從支護(hù)效果上看，錨桿直徑的變化對(duì)巷道圍巖變形的控制影響明顯，錨桿直徑越大，對(duì)圍巖變形的控制能力越大。對(duì)于5102巷道，由于要加固圍巖以形成整體錨固結(jié)構(gòu)，所以應(yīng)優(yōu)先選用大直徑錨桿。綜合考慮成本及加固效果，頂板和兩幫錨桿的直徑統(tǒng)一選擇為22 mm。

按照整體普通錨固結(jié)構(gòu)理論的研究結(jié)論，頂板垂直安裝的錨桿以及兩幫水平安裝的錨桿預(yù)緊力P按照下式確定：

巷道頂、底角偏轉(zhuǎn)α0角度安裝的錨桿預(yù)緊力Pj按照下式確定:

式中：q——巷道地壓集度；

b——巷道跨度；

c，φ——分別為圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；

μ——圍巖的泊松比；

L2——錨桿有效長(zhǎng)度（頂、底板錨桿有效長(zhǎng)度

不一致時(shí)取其中較大值）；

k0——圍巖節(jié)理二維裂隙度系數(shù)；

a——錨桿間距。

根據(jù)白洞煤業(yè)公司情況取：q≈2.675 MPa，b=4.2 m，c=7.57 MPa，φ=32.87°，μ=0.32，L2=2.16 m，k0=0.457 ，a=0.8 m，α0=20°。

計(jì)算結(jié)果為：P=56.65 kN，Pj=60.29 kN。

數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，5102巷圍巖形成整體普通錨固結(jié)構(gòu)所需要的單根錨桿預(yù)緊力在100 kN左右，按照錨桿的大工作阻力原則要求，錨桿預(yù)緊力確定為100 kN。

顯然，對(duì)于直徑為22 mm的錨桿，當(dāng)預(yù)緊力為100 kN左右時(shí)，錨桿所受拉應(yīng)力不低于263.2 MPa，考慮必要的安全儲(chǔ)備（安全系數(shù)不低于1.2），錨桿的屈服強(qiáng)度應(yīng)不低于315.8 MPa，因此錨桿材質(zhì)選用Ⅱ級(jí)20MnSi左旋無縱筋螺紋鋼。

2.2.4 錨桿安裝孔直徑與錨固劑

工程實(shí)踐表明，錨桿安裝孔直徑與錨桿直徑之差為6 mm～10 mm時(shí)，錨桿的錨固效果良好，樹脂藥卷的直徑一般應(yīng)比鉆孔直徑小3 mm～6 mm。綜合考慮上述結(jié)論和生產(chǎn)單位具體條件，確定錨桿安裝孔直徑為28 mm，樹脂錨固劑直徑為23 mm。

以錨桿長(zhǎng)度的90%作為錨固長(zhǎng)度，則頂錨桿全長(zhǎng)錨固時(shí)單孔需要樹脂錨固劑1.2 m，幫錨桿全長(zhǎng)錨固時(shí)單孔需要藥卷1.1 m。所用錨固劑為MSK和MSZ兩種型號(hào)。頂板每根錨桿用MSK23-600及MSZ23-600樹脂錨固劑各一卷，幫上每根錨桿用MSK23-600及MSZ23-500樹脂錨固劑各一卷。

2.3 其他輔助措施

為保證巷道的安全性，5102巷道除進(jìn)行錨桿加固外，還需要用錨索補(bǔ)強(qiáng)，以防止頂板發(fā)生大面積整體垮落。按照懸吊理論，確定錨索技術(shù)參數(shù)為：直徑17.8 mm，長(zhǎng)度8.3 m，間距1 m，每斷面安裝3根，排距2.1 m；錨固段長(zhǎng)度0.6 m，需要直徑23 mm的快速樹脂藥卷0.63 m；錨索預(yù)緊力與錨桿的匹配不低于100 kN。

為防止圍巖局部冒落，頂錨桿安裝時(shí)加掛復(fù)合鋼塑網(wǎng)并輔以W鋼帶，幫錨桿安裝時(shí)加掛塑料網(wǎng)并輔以W鋼帶。

3 工程實(shí)踐

圖3 錨桿布置斷面

圖4 頂板錨桿錨索布置

圖5 幫錨桿布置

按照研究確定的上述支護(hù)參數(shù)，白洞煤業(yè)公司組織了5102巷的掘進(jìn)施工。實(shí)際的支護(hù)斷面布置見圖3，第11頁圖4、圖5。施工中每60 m為一個(gè)檢測(cè)單元，用錨桿檢測(cè)設(shè)備隨機(jī)檢測(cè)3根～6根錨桿的安裝質(zhì)量，確保錨固力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，在巷道設(shè)置礦壓觀測(cè)站，用多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)巷道圍巖位移情況，用頂板離層儀監(jiān)測(cè)頂板離層情況。工程實(shí)踐表明，5102巷一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

①以形成“整體錨固結(jié)構(gòu)”為出發(fā)點(diǎn)選擇的巷道支護(hù)方案對(duì)破碎圍巖具有很好的適用性；②錨桿的預(yù)緊力在形成“整體錨固結(jié)構(gòu)”時(shí)起到了至關(guān)重要的作用；③以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬分析、理論計(jì)算確定的白洞煤業(yè)公司5102巷錨桿技術(shù)參數(shù)符合巷道穩(wěn)定性控制要求。

[1]大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，太原理工大學(xué).大同礦區(qū)石炭系地質(zhì)構(gòu)造擠壓帶傾斜煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究 [R].大同：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，2010：5-10.

[2]張百勝，楊雙鎖，康立勛.全煤回采巷道整體拱形錨固結(jié)構(gòu)模擬研究 [J].山西煤炭，2001，21（1）：19-21.

[3]翟英達(dá).錨桿預(yù)緊力在巷道圍巖中的力學(xué)效應(yīng)研究 [J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（8）：856-859.

[4]陳東印，連傳杰，于軍.預(yù)應(yīng)力錨桿在煤礦中的應(yīng)用前景 [J].山東煤炭，2005（2）：60-62.

[5]李世平，吳振業(yè)，賀永年.巖石力學(xué)簡(jiǎn)明教程 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1996：137～141.

Coal Roadway Support Technology in the Area Affected by Synclinal Structure

Liu Wen

In the areas affected by synclinal structure in 5102 roadway of No.301 panel in C5#coal seam of Baidong Coal Company of Datong coal group,the rocks surrounding the roadway are broken.For controlling the roadway steady and guided by the principle of“support and surrounding rock concurring”,this paper lessons from the current bolting support theory,puts “complete anchorage structure”as the starting point,uses the actual observation data,numerical analysis results and theory of rock mechanics,studies and designs the support scheme and the corresponding anchorage technology parameters of 5012 roadway.Engineering practices shows that the project and all bolting parameters are suitable for the need of the construction of 5102 roadway of Baidong Coal Company and steady controlling.

surrounding rocks;integral anchor structure;anchor;supporting

TD353

A

1000-4866（2012）01-0008-04

劉文，男，1964年出生，現(xiàn)在大同煤礦集團(tuán)公司技術(shù)中心工作，高級(jí)工程師。

2011-11-03

2011-11-24