基于自穩平衡拱理論的巷道支護研究

侯增平

（陜西延長石油集團 橫山魏墻煤業有限責任公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

由于煤炭開采的需要，我國每年新掘約12 000 km 的井下巷道[1-2]。為確保巷道圍巖穩定性及安全性，對巷道采取支護措施，以滿足礦井安全生產要求。目前，巷道多采用錨桿（索） 聯合支護，針對巷道的錨桿支護理論，學者們進行了大量研究，取得了諸多成果，為解決巷道支護難題做出了重大貢獻[3-5]。康紅普對巷道錨桿支護技術與理論、錨桿材料及應用情況進行了總結分析，并提出了未來巷道錨桿支護技術的研究與發展方向[6]；侯公羽等基于現有支護理論與技術，對巷道開挖后的力學結構展開分析，根據圍巖- 支護耦合對巷道圍巖應力與變形的作用機制，提出了巷道支護設計的方法[7]；姚強嶺等基于對巷道頂底板巖梁的力學分析，構建了疊加梁力學模型，提出了疊加梁的錨桿索支護理論[8]；司林坡等通過對錨桿不同位置施加軸向沖擊載荷實驗，對錨桿桿體力學響應特征展開研究[9]。目前，錨桿（索） 支護理論與技術已相對完善，但支護設計方面的研究稍顯不足。為確保巷道穩定和安全生產，部分礦井支護強度較大，增加了生產成本，且影響掘進速度[10]。本文基于自穩平衡拱理論對魏墻煤礦盤區巷道進行巷道支護參數優化，以期在確保井下盤區大巷支護安全和滿足巷道服務年限的情況下，提高巷道支護效率及掘進工程進度。

1 工程背景

1.1 礦井概況

魏墻煤礦3 號煤層平均埋深364 m，煤層傾角1°，平均煤厚3.4 m。根據煤層賦存狀況及地質條件，三盤區巷道沿3 號煤層底板布置，共布置3 條巷道，每條巷道間隔40 m 煤柱，長度約4 700 m，巷道斷面為矩形，凈寬5 840 mm，凈高3 920 mm，煤層頂底板巖性如圖1 所示。

圖1 煤巖層柱狀圖Fig.1 Coal strata histogram

1.2 巷道原支護情況

（1） 頂板支護采用φ20 mm×2 250 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm，錨固力50 kN；采用φ15.24 mm×7 300 mm 的鋼絞線錨索，錨索間排距1 600 mm×1 600 mm，預緊力120 kN。頂網采用φ6.5 mm×3 000 mm×900 mm的鋼筋網片。

（2） 幫部支護采用φ20 mm×2 250 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×800 mm，錨固力50 kN。網片采用φ6.5 mm×3 000 mm×900 mm的鋼筋網片，具體支護情況如圖2 所示。

圖2 巷道原支護情況Fig.2 Original support condition of roadway

2 基于自穩平衡拱理論的支護參數計算

2.1 自穩平衡拱理論

自穩平衡拱理論是一種基于結構力學和巖石力學原理的支護設計理論，認為巷道開掘后圍巖穩定性主要受拉應力影響，同圍巖的特性密切相關[11]。圍巖具備自承載能力并可實現自穩定，錨桿通過制約圍巖位移變形對巷道圍巖起到支護作用。該理論通過合理布置支護結構形成自穩的拱形結構，實現對巷道的穩定支護。通過優化支護參數，減少不必要的支護材料，可降低工程成本，同時能夠提供可靠的巷道穩定性，預測巷道的變形和破壞情況，確保礦井的安全生產。該技術適用于多種地質條件和巷道尺寸，靈活調整支護參數和布置方案，可提高支護的適應性，提高礦井的生產效率。綜上所述，自穩平衡拱理論在巷道支護設計中具有突出優勢，為礦井提供了科學可行的支護方案。

2.2 巷道自穩平衡拱高度的理論計算

通過以上對自穩平衡拱理論的分析可知，采用該理論能夠解決礦井支護難題。因此，以拱中心為坐標原點，則自穩平衡拱曲線方程為：

魏墻煤礦三盤區巷道頂板平均埋深324 m，巷道凈寬5 840 mm，凈高3 920 mm，上覆巖層平均容重24 kN/m，頂板平均巖石抗拉強度為3.16 MPa。將上述參數代入式（1）、式（2） 可得自穩平衡拱最大距離為3.39 m，極限自穩平衡拱最大距離為3.83 m。

2.3 錨索參數計算

2.3.1 錨索長度計算根據自穩平衡拱理論可得錨索長度La為

式中：La1為錨索外露長度，取0.3 m；La2為錨索支護的有效長度，m，取極限自穩平衡拱高度3.83 m；La3為錨索的錨固長度，m。

錨索的錨固長度可由式（5） 得到：

式中：N 為錨索預緊力，取170 kN；D 為錨索直徑，取15.24 mm；τ 錨桿粘結力，取10 N/mm2。

將上述相關參數代入計算可得，頂板錨索最小長度La為7.17 m。由于現場地質條件具有突變性，故設計長度取7 300 mm。

2.3.2 錨索間排距計算

根據自穩平衡拱理論，錨索間排距可取極限自穩拱高度的一半，約1.9 m，則單根錨索的支護范圍為3.61 m2，考慮巷道斷面及支護速度，錨索間距設計為1.8 m，排距為2 m。

2.4 錨桿參數計算

巷道未進行支護時，極限自穩平衡拱至巷道頂部的最大距離為3.83 m。此時自穩拱高度較大，采用錨桿支護效果較弱。采用錨索支護后，巷道自穩拱減小。根據減跨理論可得巷道采用4 根錨索支護后，拱高縮減至未支護時的1/5，代入可得此時的自穩拱最大范圍為0.77 m。

2.4.1 錨桿長度計算

根據自穩平衡拱理論，錨桿長度應滿足：

式中：Lb1為錨桿外露長度，取0.1 m；Lb2為錨桿支護的有效長度，取極限自穩平衡拱高度0.78 m；Lb3為錨索的錨固長度，取0.5 m。考慮錨桿型號，錨桿設計長度取1 800 mm。

2.4.2 錨桿間排距計算按照自穩平衡拱理論，錨桿間排距應滿足

式中：ar為錨桿間排距，m；Lw為錨桿錨入自然平衡拱范圍之外的額外深度，取0.5 m；a 為巷道的半跨度，m；b 為頂板巖層破壞深度，m。

根據現場地質情況及現場施工時錨桿孔揭露巖石情況，巷道半跨度為2.92 m，頂板巖石破壞高度約0.84 m。將礦井地質參數代入式（7） 可得錨桿間排距為1.2 m。考慮到盤區大巷的服務時間，錨桿間排距設計為1 000 mm。

2.5 魏墻煤礦三盤區巷道支護參數設計

根據上述計算，魏墻煤礦三盤區巷道優化后的支護參數如下。

（1） 頂板支護采用φ20 mm×1 800 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，錨固力50 kN；采用φ17.8 mm×7 300 mm 的鋼絞線錨索，間排距1 600 mm×2 000 mm，預緊力170 kN；頂網采用φ6.5 mm×6 000 mm×1 100 mm 的鋼筋網片。

（2） 幫部支護采用φ20 mm×1 800 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，錨固力50 kN，網片采用φ6.5 mm×3 000 mm×900 mm 的鋼筋網片，具體支護情況如圖3 所示。

圖3 優化后巷道支護情況Fig.3 Roadway support after optimization

3 巷道支護效果分析

3.1 數值模擬結果分析

以魏墻煤礦三盤區巷道為參照對象，采用FLAC3D 對優化后的巷道支護參數進行驗證，模型 采用的煤巖力學參數見表1。

表1 煤巖力學參數Table 1 Mechanics parameter of coal and rock

3.1.1 垂直位移結果分析

根據以上煤巖力學性質，建立數值模擬模型實驗，圖4 為兩種支護方案的巷道垂直位移，方案一為原支護方案，方案二為優化后的巷道支護方案。由數值模擬位移云圖可知，方案一的頂板最大位移為4.4 mm，底板最大突起量為4.5 mm；方案二的頂板最大位移為4.7 mm，底板最大突起量為4.8 mm；較原支護方案稍有增加，但位移范圍及自穩拱高有所減小。

圖4 垂直位移云圖Fig.4 Vertical displacement cloud diagram

3.1.2 垂直應力結果分析

由圖5 兩種支護方案的巷道垂直應力可知，方案一的兩幫峰值應力出現在幫部3.24 m 處，最大應力為10.66 MPa；方案二的兩幫峰值應力位置縮減至1.64 m，應力峰值增加至11.56 MPa，應力向巷道集中，影響范圍縮減。

圖5 垂直應力云圖Fig.5 Vertical stress cloud diagram

綜上所述，采用優化支護方案后，巷道最大垂直位移及最大應力均有少許增加，巷道開掘后的影響范圍明顯減小，巷道穩定性未出現明顯降低，滿足礦井安全生產要求。

3.2 現場應用效果分析

在巷道掘進支護后，在巷道中以十字布點法安設測站，對巷道位移進行監測。巷道位移測站隨著巷道掘進向前布置，每組測站間隔50 m，共計4個測站。巷道變形穩定前，每天觀測1 次，穩定后每周2～3 次，監測結果如圖6 所示。

圖6 現場監測巷道平均位移Fig.6 On-site monitoring of the average displacement of roadway

根據現場監測情況，巷道掘進支護30 d 后圍巖變形保持穩定，不再出現明顯增加。支護后的巷道頂板最大移近量為23.8 mm，兩幫最大移近量約30.1 mm，滿足礦井安全生產要求。

3.3 材料消耗及經濟效益分析

優化后的支護方案較原方案縮減了錨桿長度及支護密度，同時增大了錨索的排距，在一定程度上減少了支護材料消耗，兩種支護方案所用材料見表2。

表2 支護材料消耗Table 2 Support material consumption

由表2 可知，方案二較方案一平均每米節省7.25 根錨桿和0.5 根錨索及其對應的錨桿支護材料，每條盤區巷道自里程700 m 開始使用優化后支護參數，總計縮減了29 000 根錨桿、2 000 根錨索及其對應的托盤、錨固劑等材料，且減少了鉆孔數目，極大程度上減小了工程材料消耗及生產成本，提高了巷道掘進工程進度。

4 結 論

（1） 基于自穩平衡拱理論對魏墻煤礦三盤區巷道進行支護參數計算，提出了錨桿索的巷道支護設計方案。

（2） 采用數值模擬對兩種支護方案下的巷道穩定性進行檢驗，新的支護方案明顯降低了自穩平衡拱的高度，巷道未失穩，滿足礦井安全生產。

（3） 優化后的支護方案較原方案總計縮減了29 000 根錨桿、2 000 根錨索及其對應的托盤、錨固劑等材料，降低了生產成本，提高了巷道掘進及支護的工程速度。