錨桿技術在軟巖巷道支護中的應用與可靠性分析

鄭金平，陳全秋

（1.太原理工大學，山西 太原 030002；2.三元中能煤業有限公司，山西 長治 046000）

錨桿技術在軟巖巷道支護中的應用與可靠性分析

鄭金平1，陳全秋2

（1.太原理工大學，山西 太原 030002；2.三元中能煤業有限公司，山西 長治 046000）

經過對三元中能煤業巷道的錨桿支護方案設計，得出相應支護參數，并用數值模擬和現場試驗，分析了支護體系的安全可靠性，達到了理想的支護效果，可為類似煤層地質狀況的支護設計提供一定參考。

錨桿支護技術；應力分布；可靠性分析

隨著煤礦巷道支護工程實踐的發展，適用于不同條件的支護理論逐步得到完善。目前，錨桿支護技術雖已廣泛應用，但在軟巖巷道支護方面還存在著一些不確定性；本文借用三元中能煤業礦井為設計實例，闡述軟巖巷道采用錨桿支護的設計方法及可靠性分析[1-4]。

1 礦區地質概況

三元中能煤業礦井位于沁水煤田，地處太行山脈中段西側、山西上黨盆地西部，礦井為全隱覆井田，設計生產能力240萬t/a，低瓦斯礦井。主采3號煤層，埋藏深度500 m左右，煤層平均厚度5.08 m。距煤層底板0.6 m處多有一層較為穩定的夾矸，其厚度0.15 m～0.40 m、平均0.28 m，其巖性一般為泥巖或炭質泥巖。煤層頂板影響范圍內一般為砂質泥巖、泥巖或粉砂巖，局部為不同粒級的砂巖。直接頂板為砂質泥巖、泥巖、局部為粉砂巖，厚0.86 m～9.35 m，巖性變化較大。

2 錨桿支護設計方案

目前，國內外錨桿支護設計的許多方法，盡管有一定的指導性，但均存在著不全面性，而且設計是獨立的，它與工程施工存在著脫節現象[5]。本文采用Information Method錨桿支護設計方法，收集工程本身提供的和通過測試、地質力學評估提供的有關工程信息，運用錨桿支護理論，采用全過程動態分析手段，進行錨桿支護的跟蹤設計。期望徹底解決傳統設計方法存在的問題，使其具有動態性、真實性、理論性、可操作性等功能，將工程地質、支護理論、現場施工與觀測融于整個設計當中，應是目前較為科學的設計方法之一。

（1）設計過程：支護設計前，對工程所處的圍巖特性、地層應力、地質力學圍巖類別進行測試、實驗、分類，提供設計所需的全部信息資料。在此基礎上，利用支護理論和設計方法進行初始設計，確定支護參數；施工過程中利用監測儀器進行錨桿受力測試和圍巖位移、離層、收斂等變形監測；根據監測結果進行分析驗證初始設計質量，并進行進一步的修正設計參數，以使設計完全符合工程實際情況；最終達到設計正確、參數合理、經濟高效的目的。

（2）支護參數確定：三元中能煤業3號煤層埋藏深度約500 m，頂、底板以層狀泥巖、砂巖為主，巷道斷面4.0 m×3.2 m，沿底板掘進。由巖層分布狀況可知，巷道兩幫巖性較頂、底板軟弱，且兩幫與頂、底間的層理強度較低，易發生兩幫煤體沿層理向巷道空間擠出，產生松動、劈裂破壞；所以通過有限元數值計算，對煤壁破壞區范圍進行模擬。煤壁破壞區范圍運用庫侖—摩爾準則確定：式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力；φ為內摩擦角；σc為巖石單軸抗壓強度；c為粘結力。

庫侖—摩爾準則安全系數定義為：

根據庫侖—摩爾準則運用有限元數值模擬。取SFmin=1.2，通過以上分析確定模擬方案得出如下支護參數：頂部5根錨桿，錨桿間距0.85 m，長度為2.4 m，設計錨固力為10 t；幫3根錨桿，長度1.8 m，間距為1.0m，設計錨固力6t。錨桿分布方案，見圖1。

3 可靠性分析

圖1 巷道錨桿布置斷面圖

根據現場實際情況，對方案確定的參數進行數值模擬，巷道無支護和使用錨桿支護之后進行對比，見圖2-圖7。

圖2 無支護下巷道圍巖水平應力分布圖

圖4 無支護下巷道圍巖垂直應力分布圖

圖5 錨固巷道圍巖垂直應力分布

圖6 無支護下巷道圍巖剪應力分布圖

圖7 錨固巷道圍巖剪應力分布圖

可知：在無支護對比錨固之后，軟巖巷道應力分布發生了很大變化，錨固能有效地抑制巷道變形。根據現場實地試驗和長期觀測，到達預期效果，充分說明錨桿支護設計確定的方案和支護參數是合理的，現場應用是安全可靠的。

4 結束語

通過Information Method錨桿支護設計方法和數值模擬確定的錨桿支護方案和參數是正確的，在軟巖巷道支護方面是合理的，所定參數將為煤礦巷道支護設計和施工提供了一定的理論依據和實踐參考。

[1]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2]楊永亮，孔祥義，王君燁.軟巖巷道支護技術研究與應用[J],煤炭技術,2009,28(2):154-156.

[3]楊德傳.煤巷錨桿支護應用現狀研究理論及當前研究重點[J].煤礦開采,2005,10(6):13-34.

[4]趙衛東，張再興.噴錨網支護原理及應用實踐[J].有色金屬：礦山部分，2010,62（2）：17-19.

[5]李剛，梁冰，張國華.高應力軟巖巷道變形特征及其支護參數設計[J].采礦與安全工程學報,2009,26(2):183-186.

Application and Reliability Analysis of Anchoring Support for Soft Rock Roadways

ZHENG Jin-ping1,CHEN Quan-qiu2
(1.Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030002;2.Sanyuan China Energy Coal Industry Co.,Changzhi Shanxi 046000)

By the analysis on anchoring support plan in Sanyuan China Energy Coal Industry Co.,corresponding supporting parameters were achieved.The numerical simulation and field tests were used to study its reliability.The results showed the ideal effect and the study could offer some reference for the supporting design in the similar geological condition.

anchoring support technology;stress distribution;reliability analysis

TD353

A

1672-5050（2012）02-0068-03

2011-11-20

鄭金平（1981—），男，山西呂梁人，在讀工程碩士，助理工程師，從事煤炭生產技術管理工作。

徐樹文