大断面矩形巷道锚杆支护技术研究
2010-11-24段春生
段春生
(太原理工大学矿业工程学院 、晋神能源有限公司沙坪煤矿)
·试验研究·
大断面矩形巷道锚杆支护技术研究
段春生
(太原理工大学矿业工程学院 、晋神能源有限公司沙坪煤矿)
以某矿15#煤层开采为背景，通过理论计算分析，运用UDEC数值软件对15002回采工作面回风顺槽进行无锚杆和有锚杆支护的数值模拟分析，得出了顺槽巷道锚杆初始支护技术方案，并在工程应用中取得良好的效果，以对国内井下回采巷道支护起到一定的借鉴作用。
锚杆支护；大断面；巷道；数值模拟；研究；效果
在围岩巷道支护领域内，研究、提出了多种支护理论并得到了较好的推广和应用[1-2]，但由于我国煤矿地质条件的复杂性，这些理论与实践往往出现一定的偏差或应用不合理，生搬硬套理论，造成我国煤矿巷道顶板跨落、冒顶事故时有发生，造成巨大的经济损失和人员伤亡[3-6]。所以，本文以某煤矿顺槽支护为背景，采用经验公式与数值模拟相结合的方法，研究其围岩的受力、变形及其破坏方式，进而给出其合理的支护方案。
1 工程概况
本文所研究的顺槽巷道主要布置在15#煤层附近，15#煤层顶底板岩层柱状岩性表见表1。由于15#煤层顶板为7.0 m的砂岩，为保持巷道有一个完整的顶板，将工作面顺槽形式定为矩形巷道，且沿煤层顶板而布置。由于15#煤层和底板泥岩，岩性比较破碎，总体上属于Ⅳ类不稳定围岩。
表1 15#煤层顶底板岩层柱状岩性表
2 经验公式法确定锚杆支护参数
经验公式计算法用于锚杆支护设计，计算得到的仅为锚杆支护的主要参数，对于锚杆杆体的结构形式，锚固长度，托板、螺母结构形式和强度等不能有效地做出设计，所以此方法只是用于参数确定参考[7-10]。
由于该矿工作面顺槽大部分沿煤层开拓，属半煤岩巷，所以，应该采用煤巷锚杆支护的经验公式计算参数。巷道尺寸：宽5.0 m，高4.0 m，断面积为20.0 m2。
1) 锚杆长度。
L=N(1.5+W/10)
(1)
式中:
W—巷道或硐室跨度，m；
L—锚杆总长度，m；
N—围岩影响系数(该矿为Ⅳ类围岩，取1.2)。
2) 锚杆间距。
M≤1.0/N
(2)
式中:
M—锚杆的间距，m。
3) 锚杆直径。
d=L/110
(3)
式中:d—锚杆直径,m。
根据以上公式计算回风顺槽的锚杆支护参数，见表2。
表2 巷道锚杆支护参数经验公式计算结果表
3 锚杆支护的数值模拟分析
为了弄清巷道围岩破坏情况，对顺槽巷道进行了无支护数值模拟，数值模拟软件采用离散元软件UDEC，通过对此次数值模拟结果的分析，初步认识了该区域地质条件下巷道围岩破坏规律，以便下一步锚杆支护方案数值模拟有的放矢。
3.1无锚杆支护的数值模拟分析
在无锚杆支护的情况下，顺槽巷道围岩破坏情况见图1(a)所示，可见巷道两帮和底板受到较大破坏，其中巷道两帮破坏尤为严重，巷道顶板破坏程度最小，因此,此段支护的重点应该是巷道两帮和底板。
图1 顺槽巷道应力应变分布图(无支护)
巷道围岩的水平应力分布见图1(b)所示，最大水平应力为12 MPa，应力集中区域主要分布于巷道两帮；垂直应力分布见图1(c)所示，最大垂直应力值为12 MPa，应力集中区域主要分布于巷道的两帮；剪切力分布见图1(d)所示，最大应力值为8 MPa，应力集中区域主要分布于巷道两帮与底板交汇处；图1(e)和(f)是最大主应力和最小主应力分布图，从图中应力分布来看，最大主应力在此区域应力达25～30 MPa，高应力分布在两帮区域。最小主应力同样不如最大主应力那样显著，在最小主应力集中区域应力4～8 MPa，最高到8 MPa。
3.2锚杆支护的数值模拟分析
根据前面顺槽巷道无锚杆支护时巷道变形破坏效果以及经验公式法确定的锚杆支护参数，对顺槽巷道进行锚杆支护数值模拟，锚杆直径22 mm，间排距0.8 m×0.8 m。巷道围岩破坏情况见图2(a)所示，相比无锚杆支护时，巷道整体稳定性得以提高，变形破坏进一步减小，尤其是顶板和两帮的完整性保持良好，两帮与底板交接处的变形破坏程度大大降低。但巷道两帮依然存在不同程度的偏帮现象。
巷道围岩的水平应力分布见图2(b)所示，最大水平应力为14 MPa，应力集中区域主要分布于巷道顶板，两帮与底板交叉处等区域；垂直应力分布见图2(c)所示，最大垂直应力值为7 MPa，应力集中区域主要分布于巷道的两帮；剪切力分布见图2(d)所示，最大应力值为3 MPa，应力集中区域主要分布于巷道的顶板；图2(e)和(f)是最大主应力和最小主应力分布图，从图中应力分布来看，顶板上方最大和最小主应力以60°左右向两帮施加压力。在这一最大和最小主应力产生应力集中的区域，最大主应力在此区域应力达14～16 MPa，应力最高处是两帮与顶板交叉处，达到16 MPa。在最小主应力集中区域应力8～10 MPa，最高到10 MPa。
4 锚杆支护参数的初始确定
根据数值模拟的效果，可见此次锚杆支护能够保证巷道的稳定性。具体支护布置参数如下：
1) 顶板支护。锚杆形式和规格：高强度锚杆采用B500材质、杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4 m，杆尾螺纹为M24。
锚杆布置：锚杆排距800 mm，每排7根锚杆，间距800 mm。
锚索：单根钢绞线， 22 mm，长度7.4 m，加长锚固，采用3支锚固剂，锚索采用三花布置，即每排都有锚索。
2) 巷帮支护。锚杆形式和规格：杆体为 22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4 m，杆尾螺纹为M24。
锚杆布置：锚杆排距800 mm，每排5根锚杆，间距800 mm，顶锚杆距顶435 mm，底锚杆距底板485 mm。
帮锚索：采用直径 17.8 mm的锚索，长度5.3 m，加长锚固，锚索采用之字型布置，即每排都有锚索，距顶、底板距离分别为1 320、1 495 mm。
3) 底板支护。考虑到底板为泥岩，较容易出现底鼓，因此,在巷道支护初始设计中增加了防治巷道底鼓技术。
锚杆形式和规格：杆体为中空特种钢自钻锚杆。锚杆外径 25 mm，内径 13 mm，长度2.5 m(分1.0 m和1.5 m两段，中间有连接套连接)，杆尾螺纹规格 M25。
锚固方式：水泥注浆，水灰比是1∶2.5，并加入水泥添加剂1.5%(与水泥比)。
锚杆布置：锚杆排距800 mm，每排4+1×2根锚杆，间距1 000 mm。靠近巷道两帮的锚杆安设角度为20°。
长锚杆形式和规格：杆体为中空特种钢自钻锚杆。锚杆外径 25 mm，内径 13 mm，长度5.0 m(分两段1.0 m和两段1.5 m连接而成)，自钻锚杆一次性钻头 46 mm。
长锚杆布置：在2排锚杆中间，每隔1.6 m打1根长锚杆。
5 工程实例
采用上述锚杆支护方案后，某矿15002工作面回风顺槽掘进50 m过程中，通过观测的数据显示，巷道变形量大大减小。巷道变形量见表3。
图2 顺槽巷道应力应变分布图(锚杆支护)
支护方案变形破坏程度顶沉/mm底鼓/mm侧帮水平位移/mm锚杆+锚索较小179129158
巷道支护一直是采矿领域的一大难题，本文的研究希望对国内井下采煤巷道支护有一定的借鉴意义。
[1] 何满潮，袁和生，靖洪文，等.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社,2004：67-69.
[2] 董方庭．最大水平应力支护的理论和应用问题[J].锚杆支护,2000，4(3)：1-5.
[3] 李占金，徐东强.软岩巷道支护理论及支护理论的研究和发展[J].河北理工学院学报,2003，25(4)：8-13.
[4] 董方庭，宋宏伟，郭志宏，等.巷道围岩松动圈支护理论[J].煤炭学报，1994，19(1)：21-32.
[5] 候朝炯，郭宏亮.我国煤巷锚杆支护技术的发展方向[J].煤炭学报，1996(2)：46-47.
[6] 康红普.回采巷道锚杆支扩影响因素的FLAC分析[J].岩石力学与工程学报,1999,18(5)：497-502.
[7] 朱浮声，郑雨天.软岩巷道围岩流变与支护相互作用[J].矿山压力与顶板管理,1996(1)：6-8.
[8] 朱珍德，王玉树.巷道围岩流变对巷道稳定性的影响[J].力学与实践,1998，20(1)：26-29 .
[9] 薛顺勋，聂光国.巷道软岩支护技术指南[M].北京，煤炭工业出版社,2000:103-104.
[10] K.B.柯谢列夫，Ю.A.别特连柯著.崔梦庚译，平寿康校.巷道的保护与维修[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991：85-87.
-
The background of roadway support is 15 coal seam in one mine. Through theoretical calculation and analysis, numerical simulation analysis of large-section gate roadway without bolt and with bolt supporting in 15002 working face by using numerical software UDEC, obtained the roadway bolt supporting technology solutions, and initial success in engineering application, hope that this paper researches on the domestic underground mining of roadway surrounding rock is of certain reference.
Bolt; Large-section; Roadway;Numerical simulation
TD353.6
B
1672-0652(2010)10-0021-04
2010-08-22
