五陽煤礦西翼擴區中央軌道大巷支護技術研究

摘要：西翼擴區中央軌道大巷為五陽煤礦西翼擴區的開拓巷道，為擴區布置的第一條巷道，由于沒有臨近相似條件的巷道支護方案進行參考，所以必須對于西翼擴區首條開拓巷道的支護方案進行FLAC計算機模擬，確定較優方案。今后為擴區其它巷道提供可參考的依據。

關鍵詞：FLAC 模擬方案 圍巖變形特征

1 試驗地點地質與生產條件

西翼擴區中央軌道大巷是五陽礦井西翼擴區的行人運料通道，在中央軌道大巷南側中對中距離約50.0m處正在掘一條中央膠帶大巷，中央軌道大巷為西翼擴區的主要開拓巷道。巷道長度約3000m左右，沿腰線掘進，從煤層上方穿越到煤層下方，斷面為直墻半圓拱，巷道凈寬5.74m，直墻高1.5m，掘進斷面22.70m2。根據礦方提供的地質資料，中央軌道大巷埋深在530m左右，巷道穿過山西組中下部3#煤層，煤層賦存穩定，厚度5.1～6.1m，以亮煤為主，暗煤次之。

2 不同支護方式下圍巖變形特征分析

2.1 模擬方案

五陽礦西翼擴區中央軌道巖層大巷的巷道頂底板為砂質泥巖，但其抗壓強度比較低，巷道開挖后變形比較大，特別是位于構造影響區域的巷段，其圍巖松散破碎，巷道變形特別大。因此以高強錨桿為基礎以高預緊力為核心，使支護體與圍巖形成協調統一的承載結構，有效調動圍巖自身的承載能力，針對西翼擴區中央軌道巖層大巷的支護提出如下模擬方案：

方案1：單一錨桿支護，錨桿長度為2.4m。

方案2：錨桿索組合支護，錨桿長度為2.4m，錨索長度為6.3m。

2.2 模擬結果分析

單一錨桿支護的圍巖彈塑性區分布、巷道四周變形以應力分布如圖1所示。

錨桿索組合支護的圍巖彈塑性區分布、巷道四周變形以應力分布如圖2所示。

表1 中央軌道大巷巖層大巷單一錨桿和錨桿錨索組

合支護巷道四周最大位移

由圖1和表1可以看出，巷道開挖后塑性區迅速向圍巖深部擴展，發展范圍較大，與此同時高應力不斷向圍巖深部轉移，巷道淺部圍巖承載能力急劇下降，巷道收斂非常嚴重，以兩幫變形和底鼓為主。兩者的支護強度均明顯偏低，不能滿足巷道圍巖穩定性控制要求，兩幫變形量為215.8mm，頂底板為232.3mm。巷道底板變形依舊嚴重，在巷道底板和兩幫底腳均發生破壞。因此，中央軌道大巷必須采用積極主動的高強度的支護形式，才能對巷道進行長期有效地控制，特別是位于構造影響區域的巷段。

由圖2和表1可知，采用錨索對巷道頂板和兩幫關鍵部位進行加強，與錨桿共同作用，圍巖塑性區有了明顯的改善，由圍巖深部向巷道圍巖淺部收縮，頂板區域的塑性區明顯比錨桿少；高應力不再向圍巖深部轉移，由深部向淺部轉移，淺部圍巖應力均有不同程度的上升，提高了淺部圍巖的承載能力。頂板錨桿和錨索通過較高的預應力作用于頂板，使頂板形成了預應力承載梁結構，抗剪強度和抗變形能力大大提高，并有效地向巷道兩幫深部分解應力。錨桿索充分調動了主次承載區自身的承載能力，優化了圍巖的應力場，巷道的頂板下沉、兩幫移近都明顯下降，分別為60.2mm和88.8m，巷道底鼓也有所緩解。

3 支護方案

拱頂支護

錨桿形式和規格：桿體為φ22左旋無縱筋螺紋鋼筋SMG500，長度2.4m，桿尾螺紋為M24。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支樹脂錨固劑，一支規格為K2335，另一支規格為Z2360，鉆頭直徑為φ30mm，設計錨固力為228kN。

W鋼護板規格：采用W鋼護板，厚度5mm，寬280mm，長度450mm。

錨桿配件：采用高強錨桿螺母M24，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈，托板采用拱型高強度托板，承載能力不低于228kN。

網片規格：采用金屬網護頂，材料為10#鐵絲，網孔規格50×50mm，拱部采用兩片網搭接，網片規格4300×1300mm，網片搭接100mm，用16#鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相連。

錨桿布置：錨桿排距1200mm，全斷面每排13根錨桿，間距950mm。

錨桿預緊扭力矩要達到400Nm，但禁止超過550Nm。

錨桿全部垂直巖面打設，考慮到施工需要，允許5°誤差。

錨索：錨索形式和規格：錨索材料為φ18.9mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度為6300mm，極限破斷拉力為400kN，延伸率4%，配合高強度鎖具和可調心托板，采用一支K2335和兩支Z2360樹脂錨固劑錨固。

錨索托板：采用300mm×300mm×16mm高強度可調心托板，承載能力不低于550kN。

錨索采用矩形布置：每隔一排打三根錨索，排距2400mm，錨索間距1900mm，全部垂直巖面打設。錨索預緊力要求不低于250kN。

墻部支護

錨桿形式和規格：桿體為φ22左旋無縱筋螺紋鋼筋SMG500，長度2.4m，桿尾螺紋為M24。

錨固方式：樹脂加長錨固，一支規格為K2335，另一支規格為Z2360，鉆頭直徑為φ30mm。

W鋼護板規格：采用W鋼護板，厚度5mm，寬280mm，長度450mm。

錨桿配件：采用高強錨桿螺母M24×3，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈，托板采用拱型高強度托板，承載能力不低于255kN。

網片規格：采用金屬網護幫，材料為10#鐵絲，網孔規格50×50mm，網片規格3800×1300mm。用16#鉛絲聯接，網片搭接100mm，雙絲雙扣，孔孔相連。每三排打網一次。

錨桿布置：錨桿排距1200mm，間距950mm。

錨桿預緊扭矩要達到400Nm，但禁止超過550Nm。

錨桿角度：垂直巖面布置。中央軌道大巷支護布置如圖3。

4 小結

①對于受地質構造影響的巷道，圍巖塑性發展迅速，單純依靠架棚或錨桿支護，均無法對巷道圍巖進行有效控制，必須采用高強度支護方式及時主動控制圍巖變形，錨索在控制圍巖變形中起到了關鍵作用，調動了主次承載區自身的承載能力，對優化調整圍巖應力場及整體支護結構的形成起到至關重要的作用。

②由于松散破碎圍巖體巷道圍巖變形具有明顯的蠕變和流變性，松散破碎圍巖體本身可錨性差，圍巖長期蠕變和流變易產生錨桿支護失效，因此支護初期必須加大支護強度，遏制破碎圍巖的進一步惡化而導致支護失效。

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作者簡介：

劉耀輝（1984-），男，山西霍州人，畢業于華北科技學院，助理工程師，目前主要從事煤礦生產技術管理工作。