楊營煤礦巷道支護參數的分析及評價

劉培海 劉 輝 孫立田 王建亭 李登月

(肥城礦業集團 楊營能源有限責任公司，山東 梁山272600)

0 前言

在巷道支護參數分析及評價方面，楊營煤礦首先按照理論方法計算錨噴支護參數，然后采用數值模擬手段對支護參數進行模擬分析，預測支護參數是否科學合理，最后結合現場實踐情況，對錨噴支護巷道的參數設計及其支護效果進行綜合評價。

1 支護效果的數值模擬評價

1.1 依托巷道概況

1.1.1 巷道基本概況

本巷道為楊營煤礦井底車場水倉及通道，巷道設計長度：內水倉全長236.7m、外水倉全長351.1m，水倉聯絡巷47.192m，工程量共計635m。依次穿過九灰及九灰底板細砂巖、十灰及十灰頂板泥巖。九灰及其底板砂巖由一層灰巖和一層砂巖組成，總厚度8.43m； 灰巖厚0.83m，為薄層灰巖，巖性致密，見溶蝕現象，裂隙較發育，裂面見方解石細脈；砂巖總厚7.60m，泥質膠結，裂隙不發育。十灰+巖漿巖含水層由一層灰巖和一層巖漿巖組成，總厚度17.4m；灰巖厚6.20m，為厚層灰巖，巖芯較完整，局部裂隙較發育；巖漿巖厚11.20m，中細粒結晶結構，局部裂隙發育，局部破碎。

1.1.2 巷道形狀及支護方案

水倉巷道為一條直墻半圓拱形巖石巷道。巷道荒寬4.1m，荒高3.65m。支護方式采用錨、網、索、噴聯合支護。計算依托巷道的支護參數如下：

（1）依據單體錨桿懸吊理論，錨桿長度可由以下公式進行計算：錨桿長度l=l1+KH+l2，取2400mm；

式中：l 為錨桿長度，m；K 為安全系數（一般取2）；l1為錨桿外露長度，m，取決于錨桿類型及構造要求等，一般取0.15m；H 為軟弱巖層厚度，m；l2為錨桿錨固長度，m。

（2）根據錨桿桿體的抗拉力等于錨桿實際錨固力確定錨桿體直徑：

式中： L 為巷道頂板朝著工作面方向暴露長度，cm；m 為錨固的巖層厚度，cm；N 為在頂板暴露長度L、 寬度為1m 的頂板面積上錨桿的根數；r 為巖體容重，kN/cm3。

（3）依據錨桿懸吊作用理論，計算錨桿間距公式如下：

式中：a 為錨桿間距，m；γ 為巖石平均容重，kN/m3；k 為應力集中系數；l 為被錨固巖體的長度，m。

（4）錨索長度的確定，大多依靠經驗和工程類比。但以下理論公式可作為參考依據：

錨索長度La=la1+la2+la3=6.25m，取6300mm；

式中：la為錨索長度，m；la1為錨索外露長度，取0.3m；la2為錨索有效長，m；la3為錨索錨固長度，取2.0m。

（5）噴射混凝土厚度主要由粘結條件所控制，其計算公式可以簡化如下：

式中：h 為噴射混凝土厚度，cm；u 為危巖周邊長度，cm；G 為危巖重量，kg；K 為計算安全系數，一般取3.0；RLu為噴射混凝土的計算粘結強度，MPa。

結合實際情況及工程經驗，錨桿選用高強預應力錨桿，規格為Φ20×2400mm，均勻布置，間排距為950×900mm。金屬網網片由Φ6mm鋼筋焊制，網格100×100mm，網片規格1400×1000mm。錨索型號Φ17.8×6300mm，錨索間排距2750×2750mm，在拱部布置2 根。混凝土強度等級標號C20，噴厚150mm。

1.2 數值模型的建立

實測楊營煤礦原巖應力場的第一主應力為水平應力，最大水平主應力約為垂直應力的1.31 倍，最大水平主應力為最小水平主應力的2.39～2.97 倍，垂直應力與按照上覆巖層厚度和容重計算的垂直應力相近。不考慮地下水活動的影響，模型左右兩側限制水平位移, 底部限制垂直移動,頂邊界施加豎向初始應力。進行網格劃分后的幾何模型如圖1 所示。

1.3 數值模擬參數

計算模型的巖層組物理力學性質指標從上往下見表1。

巖組編號抗拉強度(MPa)1 粉砂巖 26.2 3.5 0.24 2.0 36 1.7 2 砂質泥巖 25.9 3.05 0.18 2.12 32 1.06 3 泥巖 25.5 2.68 0.31 1.23 28 1. 03 4 石灰巖 24.8 2.5 0.34 0.90 32 1.0 5 砂質泥巖 26.2 3.25 0.19 2.24 35 1.11 6 細砂巖 25.4 4.0 0.25 2.64 40 2.0 7 泥巖 25.8 2.39 0.30 1.53 29 1.06巖組名稱容重(KN/m3)彈性模量(GPa)泊松比μ粘結力(MPa)內摩擦角（°）

1.4 模擬結果與分析

1.4.1 應力計算結果

在底板圍巖內部出現了小范圍的拉應力，受拉區厚度約為0.1m，量值很小，最大拉應力為0.89Mpa；頂拱以及兩側邊墻沒有出現拉應力區。最小主應力圖見圖3，由圖可見，巷道四周大部分圍巖處于受壓狀態，最大壓應力的量值也不大。因此，支護后的應力分布較為有利巷道的穩定。

1.4.2 位移結果

巷道周邊位移量值都不大，兩側邊墻的位移值比頂底板位移值大，且左側邊墻大于右側邊墻，左側邊墻處位移值最大為14.8mm；巷道底板處位移量值小于頂板，頂板處位移量值約為10mm，而底板只有4mm。對于煤礦巷道而言，上述變形量值均不大。

1.4.3 塑性區分布與錨桿受力分析

巷道周圍出現不同程度的塑性區。頂拱圍巖的塑性區厚度最大，約為1.6m，底板、右側邊墻、左側邊墻分別為1.5m、1.4m、1.2m。

對于錨桿、錨索受力，由數值計算結果可知：頂拱中心錨桿軸力為103.54kN，其余位置錨桿的軸力從93.3kN 到102.0kN 大小不等；左側邊墻錨桿軸力為105.6kN；右側邊墻錨桿軸力為119.2kN 左右；錨索軸力最大值為442.9kN。由此可見，錨桿、錨索的軸力都在正常范圍。同時可見，巖層條件比較好的位置，錨桿受力較小，巖層條件較差的位置，錨桿受力相對較大。

從整體上來看，支護結構受力適中，充分發揮出了應有的錨固作用，且錨桿、錨索穿透塑性區錨固在穩定巖層上，有效的控制了巷道圍巖的變形及破壞。

2 設計方案實踐反饋

楊營煤礦井底車場水倉及通道施工2 年后，整條巷道沒有出現片幫、冒頂現象，錨桿、錨索受力沒有出現失效破壞。實踐證明，本支護方案是成功的。

3 結論

3.1 本文介紹的支護參數理論設計方法非常適合楊營煤礦，依據此方法可以計算出較為合理的支護參數，可以保證楊營煤礦巷道的安全使用；

3.2 數值模擬是在支護參數應用于實踐之前很好的檢驗方法，可為優化支護參數合理設計提供依據，是錨噴支護參數檢驗的有效途徑；

3.3 理論計算、數值模擬及現場實踐相結合的體系是一套非常科學、合理的支護參數分析及評價體系，可以很好的預測巷道的變形情況以及支護效果，確保巷道的長期安全使用。

［1］康紅普,王金華,林健.煤礦巷道支護技術的研究與應用[J].煤炭學報，2010，35(11)：1809-1814.

［2］鄭海建,李正剛.深部礦井巷道支護參數優化可行性分析[J].山東煤炭科技，2012(4)：127-128.