金家莊煤礦4#煤層11盤區大巷錨桿支護參數選定分析

范世錦，王 亮

(1.呂梁市煤礦通風與瓦斯防治中心，山西 離石 033000；2.北京高卓東升科技有限公司，北京 100083)

1 理論基礎

本文在分析金家莊煤礦4#煤層11盤區大巷錨桿支護參數選定時，主要依據是中國礦業大學侯朝炯教授提出的煤礦巷道圍巖錨桿強度強化理論[1]。其具體的內容主要包括以下幾個方面：

1)錨桿和圍巖是相互作用的統一體，應將錨固體看作統一的承載結構來分析。

2)錨桿支護能改善不同破裂及變形狀態下的巖體(包括破碎區、塑性軟化區及彈性區)的力學參數，相應提高錨固區內巖體的峰值強度、峰后強度及殘余強度。

3)錨固體破壞前后的力學性都較破裂巖體有所改善，因而發生較大變形后，錨固體仍起作用。

4)錨桿支護增加圍壓，改善巷道圍巖的應力狀態，而軟弱破碎巖石強度對圍壓值十分敏感，在低圍壓狀態下隨圍壓增加強度直線上升。

5)錨桿支護通過抑制圍巖破碎區及塑性區的發展，從而控制了巷道圍巖的最終變形和破壞。

2 4#煤巷道圍巖地質條件

金家莊煤礦11盤區皮帶大巷、軌道大巷與回風大巷三條大巷均位于3#煤層110302工作面采空區下，大巷斷面尺寸為4m×3m，4#煤層與3#煤層的層間距約7m左右。

11盤區大巷距離ZK1-1鉆孔較近，圍巖地質條件以此鉆孔為依據。

依據此鉆孔揭露情況，金家莊4#煤層厚為4.35m，直接頂為3.71m的泥巖，其上為2.18m的砂質泥巖，底板為7.39m的泥巖，具體頂底板情況見表1。

表1 金家莊4#煤層大巷及順槽圍巖地質條件

3 錨桿支護參數確定方法

3.1 數值模型的建立

依據11盤區大巷圍巖地質條件，建立數值計算力學模型，如圖1所示。模型上方施加上覆巖層載荷，模型兩側及底部分別施加水平位移約束和垂直位移約束。建立模型網格后，依據試驗室獲得的巖石力學參數進行賦值，并施加載荷和約束。之后進行運算，使得模型達到初始應力狀態。然后進行工作面和巷道的開挖，模擬計算不同支護參數條件下的巷道穩定性，選擇較為合理的錨桿支護參數，主要包括錨桿長度、間排距等。數值計算模型如圖2所示。

圖1 金家莊11盤區大巷錨桿支護設計力學模型

圖2 金家莊11盤區大巷錨桿支護參數數值計算模型圖

11盤區大巷斷面寬×高為4m×3m。4#煤層塊體尺寸為0.5m×0.5m、直接底泥巖塊體尺寸為1m×1m，直接頂塊體尺寸為1m×2m，向上的巖層塊體尺寸為1m×5m。上覆巖層塊體尺寸較大，為10m×10m。模型總體尺寸為(寬×高)140m×89.9m，上邊界載荷按采深200m計算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，數值計算模型如圖2所示。根據4#煤層頂、底板力學性質測試結果，參考相關資料，得到各層巖體物理力學參數，并給各巖層賦值。

3.2 錨桿一般參數確定

3.2.1 錨桿材質與直徑的確定

為有效地控制巷道圍巖變形和離層，錨桿必須給圍巖可靠的支護阻力。當錨桿材質一定時，支護阻力的大小與桿體半徑的平方成正比，也就是說，直徑越大，支護阻力和錨桿支護系統剛度越大，對支護越有利。同時，需要考慮錨桿直徑與鉆孔孔徑的合理匹配，如果差值太小，安裝方面會有困難，而差值太大，則會降低錨桿錨固力。

大巷服務年限比一般巷道較長，且至少要受到兩側工作面兩次回采影響?？紤]支護阻力的需要，目前礦方施工機具條件以及經濟等因素，確定頂板錨桿直徑、兩幫錨桿直徑均為20mm，能夠滿足高錨固力、材料節約、施工方便的要求。

錨桿材質和直徑確定的基礎上，采用數值計算方法，對頂錨桿長度、幫錨桿長度以及錨桿的間排距進行選擇。

3.2.2 錨桿長度的確定

錨桿長度是錨桿支護參數中的關鍵參數之一。就巷道支護整體結構而言，錨桿長度太短，在巷道圍巖內形成的加固厚度較小，不利于巷道頂板的穩定。固定錨桿直徑為20mm、間排距為800mm×800mm，模擬不同錨桿長度對大巷變形情況的影響。表2為不同錨桿長度下的圍巖變形量。圖3為隨著頂板錨桿長度的變化圍巖變形量的變化趨勢。

由表2和圖3可以看出，錨桿長度是影響巷道維護效果的重要參數。當錨桿長度從2100mm增大至2700mm時，頂板下沉量、底臌量及兩幫相對移近量分別減小164mm、73mm、205mm。錨桿長度小于2500mm時，巷道表面變形量變化較大；錨桿長度大于等于2500mm時，巷道表面變形量變化較小。因為大巷服務年限較長，且頂板為泥巖或砂質泥巖，強度小，且受3#煤采動影響，考慮到一定的安全系數，頂板錨桿和兩幫錨桿長度均取2500mm。

表2 錨桿長度對圍巖變形的影響

圖3 錨桿長度與圍巖變形的關系

3.2.3 錨桿間排距確定

對巷道支護整體結構而言，間排距過大，支護強度變小，甚至不能形成連續的承載結構，難以有效控制巷道圍巖變形。針對大巷斷面尺寸、圍巖地質條件以及采動狀況，提出4種錨桿間排距方案，固定頂板錨桿間距700mm，幫錨桿間距為800mnm，排距按照1000mm、900mm、800mm、700mm進行模擬。表3為不同排距下的圍巖變形量。圖4為隨著排距的變化圍巖變形量的變化趨勢。

由表3和圖4可知，排距較大時，由于未能形成整體承載支護結構，圍巖變形較大，隨著排距的減小，圍巖變形量逐漸減小，但減小至800mm時，再減小排距，對圍巖變形影響較小。錨桿排距由1000mm減小至800mm時，頂板下沉量、底臌量以及兩幫相對移近量分別減小145mm、82mm、120mm，繼續由800mm減小至700mm時，分別減小15mm、25mm、23mm，巷道維護效果基本相同。綜合考慮安全、經濟等方面的因素，確定頂板錨桿間距為700mm,兩幫錨桿間距為800mm，排距為800mm。

表3 回采期間巷道表面位移量

圖4 錨桿間排距與圍巖變形的關系

3.2.4 錨索支護

4#煤與3#煤的層間距7m左右，薄的地方5～6m，110403工作面順槽掘進時，5m錨索錨不住，5m錨索時錨在3#煤采空區下方破碎巖層中。因此，層間距為7m時，一般錨索長度設計為5m，如果層間距變薄，要適當減小錨索長度，以保證錨索錨固在穩定巖層當中。錨索采用Φ17.8mm×5000mm鋼絞線錨索，每排兩根，間距1600mm，排距1600mm。

3.3 錨桿支護其他參數

錨桿支護參數包括錨桿材質、錨桿直徑、錨桿長度、錨桿間排距、錨固方式、預緊力、附件等。

3.3.1 錨桿材質

大巷頂板和兩幫錨桿選擇材質為20MnSi的左旋螺紋鋼錨桿，其屈服強度和極限強度大，控制圍巖變形效果好，桿體表面具有凹凸紋理，能夠保證錨桿與錨固劑之間較大的黏結力。

3.3.2 預緊力

錨桿預緊力對控制圍巖變形有很重要的作用。據研究結果，認為錨桿預緊力的合理最小值為20～30kN。當預緊力小于此范圍時，圍巖變形量有較大增加，而預緊力大于此值時，對控制巷道圍巖變形的作用不明顯。因此，確定錨桿預緊力大于20kN，錨桿螺母上緊扭矩大于150N·m。

3.3.3 錨固劑及錨固長度

錨固劑采用樹脂藥卷， 凝結速度為超快、中速，

頂板、兩幫錨桿采用的樹脂藥卷均為CK2340一支、Z2360一支；錨索采用樹脂藥卷為CK2340一支、Z2360兩支。

3.3.4 錨桿支護附件

包括金屬網、托盤等，頂板、兩幫配套使用金屬網，所有錨桿托盤使用鋼托盤，托盤厚度10 mm。

4 錨桿支護效果檢驗

三條大巷錨桿采用上述參數支護后，礦山壓力無明顯顯現，根據頂板離層儀觀察，圍巖無任何變形。頂板支護后處于穩定狀態，巷幫采用錨網支護，不存在偏幫現象，支護成功。

[1]侯朝炯，勾攀峰.巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究[J].巖石力學與工程學報，2000，19(3)：342-345.