摘要：淺析煤礦巷道的支護(hù)機(jī)理、確定支護(hù)參數(shù)的原則等。
一、引言
在煤礦巷道支護(hù)方法上，譬如掘進(jìn)速度、支護(hù)材料消耗、支護(hù)成本和采面的端頭支護(hù)等，都對(duì)其有著直接的影響。煤礦隨著機(jī)械化水平的不斷提高，采準(zhǔn)巷道的斷面不斷加大，就需要改善和簡(jiǎn)化巷道與端頭的支護(hù)工藝。經(jīng)過大量的實(shí)踐證明：煤礦錨噴支護(hù)在巖巷中表征著良好的力學(xué)特征，實(shí)現(xiàn)了懸吊組合梁和楔固機(jī)理，它有效地加固了頂板巖層，保持了巷道頂板的完整性，從而使頂板處于良好的受力狀態(tài)，且有效地控制了頂板的自由變形。由于一些客觀因素的影響，不少礦井還不能根據(jù)不同類別的巷道及時(shí)選用相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)與工藝。根據(jù)我公司多年的工程實(shí)踐，巷道支護(hù)也應(yīng)隨著巖性及地質(zhì)條件的變化和分類進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以彌補(bǔ)用同一組支護(hù)參數(shù)存在的不足。所以，在此有必要進(jìn)一步研究合理的支護(hù)參數(shù)，以正確指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工，確保煤礦巷道的安全穩(wěn)定性，并盡力降低巷道支護(hù)施工成本。
二、工程簡(jiǎn)況
現(xiàn)以某巷道支護(hù)為例，分析研究其支護(hù)參數(shù)、特性。該工程層位，泥巖特性為：呈灰黑色，節(jié)理發(fā)育，層理不清，性脆致密，呈塊狀，具鮞粒結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，吸水易變軟和膨脹。其巷道圍巖巖性較差，還受到淋水的作用，巖體局部較軟，承載能力比較低，它對(duì)巷道的后期穩(wěn)定性造成了極大影響，也屬于穩(wěn)定性較差或不穩(wěn)定的巷道系列。針對(duì)這種情況下，要采用剛性金屬支架支護(hù)，其成本非常高，施工難度也比較大，而且承載能力不足以抵抗回采引起動(dòng)壓的互動(dòng)作用。因此，我們著重考慮了采用主動(dòng)支護(hù)方式，通過選用合理的錨噴聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以充分調(diào)動(dòng)圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，共同來承受動(dòng)壓作用，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的支護(hù)效果。
三、巷道支護(hù)機(jī)理分析
實(shí)踐得知，在一條巷道的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)中，其是否合理，它不僅與確定參數(shù)的理論依據(jù)有關(guān)，同時(shí)還與巷道的穩(wěn)定性有關(guān)。通過工程測(cè)試，運(yùn)用“新奧法”這一核心內(nèi)容，也是確定巷道支護(hù)形式、參數(shù)、時(shí)間的一個(gè)重要依據(jù)。同時(shí)，錨桿支護(hù)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)也可參照“圍巖松動(dòng)圈巷道支護(hù)理論”。其理論在處理采動(dòng)巷道支護(hù)時(shí)設(shè)計(jì)思想有兩點(diǎn)：一是未受采動(dòng)影響時(shí)，以最小松動(dòng)圈LPO為依據(jù)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，支護(hù)體在受采動(dòng)影響維護(hù)正常時(shí)，可用液壓或摩擦支柱超前維護(hù)；二是以采動(dòng)影響期間的最大松動(dòng)圈LPd為依據(jù)，所設(shè)計(jì)的支護(hù)體在采動(dòng)支承壓力作用期間也能正常維護(hù)。
影響巖巷穩(wěn)定性的主要因素分析：巖性或巖層層位構(gòu)造應(yīng)力，圍繞裂隙發(fā)育程度和動(dòng)壓等客觀因素都有影響。我們對(duì)巖石巷道圍巖松動(dòng)深度范圍進(jìn)行實(shí)測(cè)和支護(hù)現(xiàn)狀分析，并采用“BA—Ⅱ型圍巖松動(dòng)圈測(cè)試儀”進(jìn)行松動(dòng)圈測(cè)試。經(jīng)測(cè)試分析，原巖整體性好，波速較高(均大于3.5×103m/s)。經(jīng)受采動(dòng)壓力影響后的圍巖，其松動(dòng)圈內(nèi)的巖體裂隙發(fā)育顯著，整體性就明顯變差，波速較低，松動(dòng)圈大部分增大。因此，將這種巷道劃分為不穩(wěn)定的巷道。
四、確定支護(hù)參數(shù)的原則
在巷道支護(hù)過程中，錨桿支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則取決于巖體抗壓強(qiáng)度、材料特性、引發(fā)應(yīng)力的大小和分布、巷道的允許變形程度和服務(wù)年限，以及巷道尺寸和形狀等條件。支護(hù)設(shè)計(jì)以“新奧法”施工為指導(dǎo)思想，并根據(jù)施工地質(zhì)條件的不同，選擇針對(duì)性的支護(hù)參數(shù)。錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和支護(hù)參數(shù)的確定，它主要是指錨桿類型、間排距、長(zhǎng)度、直徑、錨固力。我們只有合理確定錨桿支護(hù)參數(shù)，才能獲得錨桿支護(hù)在技術(shù)上安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)上合理的最佳效果。為此，我們也就針對(duì)巷道的工程地質(zhì)情況，在支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)采用理論公式計(jì)算結(jié)合工程類比法來確定。
1）斷面形狀的影響。通過采用離散元數(shù)值分析法，對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出如下結(jié)論：在巷道頂部基本形成一個(gè)近似半園形的卸載松動(dòng)區(qū)，根據(jù)錨桿支護(hù)能使塑性破壞后松動(dòng)的煤體形成具有一定承載能力，且在一定范圍內(nèi)適應(yīng)圍巖變形的平衡拱這一原理，巷道斷面選用直墻半園拱形斷面為最好。根據(jù)設(shè)備布置要求，確定錨網(wǎng)支護(hù)條件下巷道斷面為直墻半園拱形。
2）錨桿長(zhǎng)度的計(jì)算。當(dāng)錨桿安設(shè)在頂板中，被錨固的巖層不厚，且在它上面有老頂時(shí)，錨桿的長(zhǎng)度只要使其錨固部分固定在老頂內(nèi)≥200～300mm即可。為此，按單體錨桿懸吊理論計(jì)算錨桿長(zhǎng)度為：
L=L2+m+L1
式中：L2為錨桿頂部進(jìn)入老頂?shù)拈L(zhǎng)度，mm；m為錨固巖層厚度，mm；L1為錨桿露出孔外長(zhǎng)度，mm。
①L2長(zhǎng)度。根據(jù)桿體設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度等于錨固端部的粘結(jié)力，其計(jì)算公式如下：
由πd2σ拉/4=πdL2τ粘，推導(dǎo)出：L2=dσ拉/4τ粘
式中：d為錨桿直徑，mm；σ拉為桿體材料設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，MPa；σ粘為錨桿與砂槳的粘結(jié)強(qiáng)度，螺紋鋼時(shí)取5.0MPa。
?、阱^固巖層厚度m。按冒落拱高度的k倍計(jì)算，其計(jì)算公式如下：
m=kb
式中：k為安全系數(shù)，取1.3～1.5；b為自然冒落拱高，b=B/2F，cm；B為巷道掘進(jìn)寬度，cm；F為巖石堅(jiān)固性系數(shù)。
?、坼^桿露出孔外長(zhǎng)度L1
L1=托板厚+螺帽厚+螺帽外露出長(zhǎng)度
巷道全部在巖體中掘進(jìn)，支護(hù)重點(diǎn)應(yīng)放在頂部，即頂部錨桿錨固長(zhǎng)0.7m，兩幫0.25m，這樣頂錨桿長(zhǎng)2.2m，兩幫為1.8m。
3）錨桿間排距的確定。在一般情況下，錨桿支護(hù)布置呈正方形，也就是錨桿間距等于錨桿排距。根據(jù)錨桿懸吊作用理論，計(jì)算公式如下：
a=0.887d
式中：γ為巖石密度，2.5kg/cm2；k為安全系數(shù)，取2；a為錨桿間距，mm；m為錨固層厚，取1.1m；d為錨桿直徑，mm；σ拉為桿體材料設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，取38×103kg/cm2。求得：a=b=1179mm。充分考慮到這類巷道圍巖巖體強(qiáng)度低，且又要受到動(dòng)壓作用，因此適當(dāng)加大組合拱厚度，以降低應(yīng)力集中值，這樣可減少錨桿間排距。
4）錨桿直徑的計(jì)算。對(duì)于各種錨桿的錨固力，必須與桿體本身的抗拉強(qiáng)度相適應(yīng)，即錨桿的實(shí)際錨固力要大于或等于桿體抗拉極限，只有這樣才能充分發(fā)揮錨桿材料的作用。所以，對(duì)于錨桿體的直徑，可按桿體的抗拉力等于錨桿實(shí)際的錨固力的原則來確定。其計(jì)算公式為：
P拉=π/4d2σ
由P拉==Q拉，求得：d=1.13
式中：P拉為錨桿桿體材料的抗拉力，kN；σ拉為錨桿桿體材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度；Q固為錨桿的錨固力；d為錨桿的直徑。
經(jīng)計(jì)算為：d=1.13×=14.2(mm)
由于這類巷道變形較大，很多錨桿錨固力低，易失效，實(shí)際施工過程中可將其錨固力提高到60kN，則d=d+2=16.2mm，取d=16mm。
5）錨桿類型的確定。為在錨桿絲頭強(qiáng)度滿足要求的情況下，為盡量節(jié)約材質(zhì)，采用滾絲方式加工等強(qiáng)度錨桿，與之匹配可采用Φ16mm的加厚螺母進(jìn)行外端托盤加固，以達(dá)到應(yīng)有的效果。
五、結(jié)語
煤礦不穩(wěn)定巷道，經(jīng)掘進(jìn)后的應(yīng)力進(jìn)行了重新分布，其壓力穩(wěn)定及采動(dòng)影響等不同階段，必須進(jìn)行礦壓觀測(cè)，判斷巷道的穩(wěn)定性程度，以及時(shí)應(yīng)對(duì)，確保巷道各變形量滿足設(shè)計(jì)要求。
?、龠M(jìn)行巷道圍巖表面位移觀測(cè)。
?、谶M(jìn)行頂板離層觀測(cè)：通過頂板深淺基點(diǎn)頂板下沉情況驗(yàn)證錨桿支護(hù)參數(shù)，特別是頂部錨桿支護(hù)參數(shù)的合理性。
?、蹖?duì)錨桿受力狀況進(jìn)行觀測(cè)：采用測(cè)力錨桿測(cè)錨桿及錨桿托盤受力狀況。
?、軐?duì)松動(dòng)圈進(jìn)行測(cè)試。
總之，通過合理支護(hù)參數(shù)技術(shù)研究，分析不穩(wěn)定巷道的破壞機(jī)理和確定松動(dòng)范圍為依據(jù)，對(duì)不穩(wěn)定巷道采用以錨噴支護(hù)方式為主設(shè)計(jì)支護(hù)體系及不穩(wěn)定巷道的合理支護(hù)結(jié)構(gòu)。在錨噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行注漿加固，保證施工后靜壓下的穩(wěn)定，避免返修。
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