錨網技術在頂部軟巖支護中的研究及應用

摘 要：從事煤礦井巷工程掘進，加強錨網支護效率，減輕勞動強度，提高井巷單進進度及施工質量，經過對市區內礦區山西某礦新井籌建處的錨桿支護方案進行調研、設計研究及應用，加強煤巷頂板軟巖對綜掘施工工藝的改進與實踐，并用現場試驗，分析加強錨網支護中的安全可靠性，為同類地質條件下綜掘工藝支護提供一定研究范例。

關鍵詞：錨桿支護技術;數值模擬;可操作性;監測

煤巷的錨桿支護設計方法已從過去簡單的試驗方法和理論計算方法發展到基于數值計算和現場監測的動態信息設計方法。但是，我國許多礦區目前仍采用的經驗法，且設計也是非動態的，不注重監測數據的收集分析及有效的反饋。在一些礦山，無論巷道的地質條件和生產條件如何，支護形式和參數都是一樣的，或是一味的全錨索加強支護，導致巷道掘進慢，掘進效率低，甚至出現冒頂事故的發生。本文就垚志達新井籌建處為工程實例，闡述機掘工藝中，采用錨網支護技術對頂部軟巖巷道采用錨網進行設計的可靠性。

1 礦區工程概況

該礦新井籌建處位于沁水煤田東南段，地處長治盆地東南邊緣山區，礦井為隱覆井田，設計生產能力可以達到120萬t/a，低瓦斯礦井，主采3#、9#、15#煤層，為全區可采的穩定煤層。現采3#煤層埋深350m左右，煤層平均厚度為3.83m，一般含0-2層脈石，煤層直接頂板為砂質泥巖，0-15.86m，其平均厚度為9.68m，變化范圍較大，局部存在復合型頂板，較為破碎，在下部局部有炭質泥巖薄層，老頂為中粒砂巖，為穩定性巖層;底板為炭質泥巖，平均厚度為2.0m，砂質泥巖、砂巖平均厚度為5.83m。

2 錨桿支護方案

該礦的3號煤層運輸順槽斷面為矩形巷道，規格為4.5m（寬）×3.0m（高），全煤巷道，沿煤層頂板掘進。根據現有支護條件和相鄰主巷地壓觀測資料，以及回風巷的地質力學數據采集，采用錨桿支護數值模擬技術和全過程動態監測分析方法，進行了錨桿支護的跟蹤設計。希望能深入分析傳統設計方法存在的問題，達到一次支護、高預應力和預應力擴散、可操作性、經濟合理性等原則，將工程地質、支護理論、施工融入總體設計是當前最有效、最科學、最合適的設計法。

2.1 設計過程

支護設計前，需進行巷道所處的圍巖地質力學評估：巖性和結構、地層應力、采動影響、黏結強度進行測試、實驗、分類，提供設計所需的所有信息。基于此，初步設計時采用支護理論和設計方法，明確好支護參數;施工過程中，利用監測儀器對錨桿進行應力測試和變形監測，監測圍巖位移分布;根據監測結果，驗證了初步設計的質量，修改錨桿支護初始設計，確保設計與工程實況是相符合的，保證了支護效果的同時，又實現了安全施工。

2.2 支護參數確定

明確有限元數值計算，模擬煤壁破壞范圍。采用庫侖--摩爾準則確定了煤壁破壞區的范圍：

式中：σ1為最大主應力;σ3為最小主應力;c為內摩擦角;?為巖石單軸抗壓強度;σc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=1.0，模擬巷道圍巖有支護時應力如下，見圖1-圖3：

通過以上分析確定模擬方案得出如下，確保加強支護，確定錨桿錨固力為105kN，擰緊力矩為200N·m，初步支護參數：頂部錨桿6個，排距=0.8m，長度=2.0m，設計錨固力=10.5t;頂部4個錨桿，錨桿長度=2.0m，排距=0.8m，

設計錨固力10.5t;錨索打設間排距為2.0m×2.4m。錨桿分布方案，見圖4。

3 支護可靠性驗證

在巷道施工的同時，需對錨網支護的效果進行檢查，包括日常監測和綜合監測，這是現錨網支護有效監測手段之一。

日常監測包括錨桿錨固力抽查、頂板離層觀測和錨桿預緊力矩檢測三部分，是確保巷道施工后，消除隱蔽危險源，對保證生命安全起著至關重要的作用。

當巷道開挖之后一段時間，在相應時間間隔、，巷道頂板下沉量、側移量達最大值，隨時間增加慢慢穩定。綜合監測是錨網施工后確保巷道安全性、可靠性的重要手段。①巷道面位移：巷道頂底板相對位移，兩（下轉第140頁）（上接第137頁）側，頂板下沉;②頂板離層：錨固區內外頂板巖體位移;③錨桿應力：頂板和兩側錨桿的應力大小及變化的特點分析。

通過一個月時間的收集頂板及兩幫的巷道圍巖巖層位移變化，以及錨桿安裝測力計分析巷道錨桿工作載荷變化，見圖5。從圖中可看出，綜掘巷道頂板下沉量和幫部位移量達到最大值，并隨著時間的增長趨于穩定。可知：支護錨固后軟巖巷道應力在分布方面，有較大的變化，巷道兩幫收收斂均不超過15mm，頂板下沉量不超過20mm，錨固對于巷道變形有一定的抑制作用。巷道頂板下沉的同時，錨桿承受張力，測量錨桿載荷變化，防止因錨桿屈服變形，甚至被拉斷，產生生命財產損失。初設錨桿屈服載荷為105kN，跟蹤測量三點位置頂部、左幫和右幫的錨桿穩定后的載荷為48kN、53.4kN、50.3kN，均未達錨桿載荷60%，故錨桿載荷受力符合要求。由此可知，通過現場試驗和長期觀測，達到了預期效果。支護方案確定合理，支護參數合理，是安全可靠的。

4 結論

模擬分析軟巖巷道運輸順槽數值，數據驗證實際巷道表面位移量，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，所確定的支護參數在工程中具有實踐性、可操作性，在同類巷道支護時可參考該類分析。

參考文獻：

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作者簡介：

馬站輝（1987- ），男，山西長治人，本科學歷，助理工程師，從事煤炭生產技術工作。