锚网—锚索联合支护在马头门巷道中的应用

于元林皖北煤电集团有限公司, 安徽宿州 234000

锚网—锚索联合支护在马头门巷道中的应用

于元林
皖北煤电集团有限公司, 安徽宿州 234000

根据马头门实际揭露的具体岩性，选用锚索网联合支护方式,并用FLAC3D模拟软件进行了参数优化，不仅有效地控制了马头门大断面交岔点等难点区域的支护问题,而且施工简便、快速承载、快速支护,有效地控制了顶板变形, 确保马头门工程的安全、经济，对矿井建设具有重要的理论和现实意义。

马头门；联合支护；锚索；锚网

Ingate；combined supp；ortbolt-Steel；mesh-Anchor

引言

马头门巷道位于井筒与大巷的交接部位，是矿井的咽喉部位。马头门巷道设计断面大、服务年限长，使马头门巷道在矿山井巷工程中占据了十分重要的地位。另外，马头门同时关联到井筒附近多个硐室，如箕斗装载峒室、煤仓、管子道、等候室、水泵房、水仓、变电所等，使马头门围岩的力学状态十分复杂，支护十分困难。尤其是相邻峒室的施工将对马头门围岩产生扰动，将直接影响到马头门的支护。近年来，由于种种原因导致深井马头门支护失效的工程事故常有发生，比如淮北矿业集团涡北矿风井、国投新集刘庄矿西部井马头门、山东唐口矿马头门等等。马头门的破坏给矿山井巷工程的工期和经济带来了严重的影响，因此，应该对马头门工程实施信息化施工技术，监测马头门围岩位移和支架受力及变形特性，及时采取对策，确保马头门工程的安全、经济，对矿井建设具有重要的理论和现实意义。

1 工程概况

钱营孜煤矿主井马头门底板位于-649.67m 处,巷道净宽5.0m,净高4.85m,全长20m。原设计为钢筋混凝土支护，由于马头门上部40m处的装载硐室后期施工的扰动，可能对马头门的稳定性造成影响，而且一旦马头门混凝土碹发生破坏则维修相当困难，因此在借鉴国内已经在同类工程中取得的成功经验的基础上，在原设计支护方式的基础上，优化支护方式，即采用锚网_锚索联合支护。支护效果及巷道变形情况将为后续岩石巷道支护方案的选择与参数优化提供重要的决策依据。

主井马头门位于层厚为4.50m的泥岩中，巷道顶板为粉砂岩，底部岩性为泥岩，粉砂岩中裂隙比较发育。

2 支护方案

借鉴国内相似条件下的马头门支护的成功经验，对于该主井马头门采用锚网-锚索联合支护技术来保证马头门巷道围岩的稳定，支护参数通过数值模拟计算来选定。本次模拟中，对于岩石的本构模型采用了Hoek-Brown本构模型。

计算模型取宽60m、高60m，纵向16.8m的一段巷道进行分析，能够满足8个开挖段的施工长度要求，又具有代表性。巷道开挖断面尺寸为：宽5.0m，竖墙高：2.35m，拱顶圆弧半径2.5m。计算模型的位移边界条件是：在模型底边施加竖向位移约束，在模型左右竖向边界面施加水平位移约束，在模型的前后竖向边界面施加前后的水平位移约束。

开挖完每一段巷道岩体后，围岩的应力释放，围岩产生变形，之后马上进行锚网喷施工。混凝土喷层厚120mm，锚杆间排距700mm，锚杆长度2.5m。锚杆、锚索采用cable单元模拟，混凝土喷层采用shell 单元模拟，并选择三种支护方案来进行比较。方案1．锚杆间排距为700mm，锚杆长度为2.5m时；方案2：锚杆间排距为800mm，锚杆长度为2.5m时；方案3：锚杆间排距为800mm，锚杆长度为2.2m时。

为了分析巷道变形破坏规律方便，只选择马头门开挖支护后的垂直应力与塑性区进行分析，方案1、2、3的结果分别如图1～图3所示。

图1 方案1模拟结果

图2 方案2模拟结果

图3 方案3模拟结果

从图1（a）中可以看出，最大应力发生在巷道肩角外侧围岩内，如上图中深蓝色区域所示，最大垂直应力为22.4 MPa ，此处为重点补强部位，采用了3 m 长的锚杆，约

束围岩变形。巷道两底角部位处应力也较大应加强支护，底板上出现拉应力但较小。拱顶部位及底板大部分由于开挖卸压应力值较小。从图1（b）中可以看出，塑性区内主要为剪切应力，红色部分为曾经受剪的部位，绿色部分为过去受剪现在仍然受剪的范围，是主要的塑性区，主要分布在竖墙至巷道壁内1.8m左右范围内，以及巷道底板以下1.6m左右范围内。而由图2和图3所知，方案2与方案3施工后，其垂直应力并没有多少改变，而方案2、方案3的塑性区范围相比方案1来说依次增大。

由以上三种方案进行比较，当锚杆长度超过一定值（2m）之后锚杆的长短对于巷道围岩应力及位移的影响较小，锚杆的间排距对于巷道围岩应力及位移的影响较大。由数值模拟分析比较，锚杆间排距取为800mm 只是巷道位移比起700mm时稍有增长，但变形在允许的范围内，可考虑采用800mm的间排距。

3 支护效果评析

3.1 监测元件的埋设

南北马头门均施工3m后，开始埋设位移计、钢筋计、压力盒、埋设位置选择6个部位，分别选在马头门与井筒交接的正东正西侧，南马头门西侧距井筒2m处，南马头门东侧距井筒1m处，北马头门东侧2m处，北马头门西侧距井筒1m处，2个接线盒分别设在南马头门西侧距井筒1.5m处、北马头门西侧距井筒1m处。

仪器埋设位置及元件编号如图所示。随后在南马头门的施工过程中，在距井筒中心部位6m和9m处分别针对锚、网、喷支护结构中的肩窝、拱中和拱顶三个特殊部位锚杆的受力变化特性，建立了2个锚杆拉力监测断面，如图4所示。

图4 测点布置图

3.2 监测数据分析

由于布置的测点较多，选择南码头门西侧位置处测站结果进行分析，钢筋计、压力盒、位移计的变化规律如图5所示。

由图5可知，钢筋计数据变化知，巷道周边主要存在剪力作用，导致钢筋计数据减小，又因为水平压力的影响，导致钢筋计数据变大。竖直放置的钢筋计数据减小，是因受到上部压力的压缩作用。由位移计变化数据知，巷道周边受到减涨作用，读数变化100u ε左右，属于正常变化范围。

4 结论

本文根据马头门的工程地质概况，选用FLAC3D对巷道支护方案进行了模拟分析，根据模拟结果选择支护参数，并进行了现场测试，锚网梁支护方案较好的控制了巷道围岩的大变形，保持了巷道围岩的稳定性。

（1）巷道侧帮较稳定，应力和位移都在允许变化范围内，但马头门拱顶处压力很大，在锚索加强支护下，巷道基本趋于稳定状态。经过一年多的观察，主井马头门巷道围岩变形量很小，锚杆-锚索联合支护较好地达到支护效果。

（2）通过计算，主井马头门共节省C50混凝土材料91.5m3，φ16的螺纹钢159kg，φ18的螺纹钢331.5kg，节约材料投资约4万元。

（3）整个马头门工程施工工期缩短了20天。

图5 南马头门西部测站变化情况图

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Application of Combined Support with Bolt-Steel Mesh-Anchor in the Ingate

Yu Yuanlin Wanbei Coal and Electricity Group, Anhui Suzhou,234000

According to the concrete lithology exposed in ing，ate it is effectively controlled that the support problem of large span intersection and other difficult area by choosing Bolt-beam-steel Mesh Support System combining with FLAC3D simulation software, and the way also gets the advantages of simple construction,quick loading, rapid supporting, to effectively control the roof deformation.It can insure the safety and economic, and there is important theoretical and practical significance to the construction of mine.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.23.028

于元林，1983年生，男，汉族，安徽省泗县人，工程师，2007年毕业于安徽理工大学能源与安全学院采矿工程专业，获硕士学位，现工作于皖北煤电集团有限公司，主要从事矿井建设技术及管理工作。