霍爾辛赫煤礦回風(fēng)大巷及輔運(yùn)大巷支護(hù)初始設(shè)計(jì) 2008年5月煤礦回風(fēng)大巷及輔運(yùn)大巷支護(hù)初始設(shè)計(jì)方案1 錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法介紹 現(xiàn)有的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法很多，如基于以往經(jīng)驗(yàn)和圍巖分類的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，基于某種假說(shuō)和解析計(jì)算的理論設(shè)計(jì)法，以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控設(shè)計(jì)法大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，單獨(dú)采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復(fù)雜性和多變性的特點(diǎn)，因而達(dá)不到理想的設(shè)計(jì)效果只有采用包括試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測(cè)和信息反饋、修正設(shè)計(jì)和日常監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)信息設(shè)計(jì)方法,才是符合井下巷道圍巖特性的科學(xué)的設(shè)計(jì)方法其中試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查包括圍巖強(qiáng)度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力及錨固性能測(cè)試等內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)評(píng)估和圍巖分類，為初始設(shè)計(jì)提供可靠的參數(shù)初始設(shè)計(jì)采用數(shù)值計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)法相結(jié)合的方法進(jìn)行，根據(jù)圍巖參數(shù)和已有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定出比較合理的初始設(shè)計(jì)然后將初始設(shè)計(jì)實(shí)施于井下，并進(jìn)行詳細(xì)的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證或修正初始設(shè)計(jì)正常施工后還要進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，保證巷道安全本設(shè)計(jì)包括試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)，井下施工所需材料、設(shè)備和工藝，礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和儀器等內(nèi)容。

2 試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估霍爾辛赫回風(fēng)大巷及輔運(yùn)大巷的布置如圖1圖1 回風(fēng)大巷及輔運(yùn)大巷布置圖根據(jù)礦方提供的地質(zhì)資料，回風(fēng)大巷現(xiàn)在都是沿頂板掘進(jìn)，輔運(yùn)大巷沿底板掘進(jìn)，從頂板地應(yīng)力測(cè)試孔所取出的巖芯來(lái)看（圖2），巷道直接頂是15m左右的砂質(zhì)泥巖，灰黑色，裂隙發(fā)育；砂質(zhì)泥巖之上為約3m左右的泥巖，灰黑色、無(wú)巖芯；泥巖之上為砂質(zhì)泥巖，厚度約為1m，灰黑色、巖芯成小片狀，有自然裂隙；砂質(zhì)泥巖之上為泥巖，厚度約為2.6m，灰黑色、水平紋理發(fā)育，可見(jiàn)植物化石，基本無(wú)巖芯；再往上為泥質(zhì)砂巖，厚度為2.6m，灰色，夾薄層細(xì)砂巖巖 性厚度（m）累計(jì)厚度（m）巖層柱狀巖 性 描 述泥巖2.621.6灰黑色，巖芯破碎，取芯20%砂質(zhì)泥巖119灰黑色，巖芯成小段狀，取芯40%泥巖318灰黑色，巖芯破碎，取芯30%砂質(zhì)泥巖1515灰黑色，節(jié)理發(fā)育，巖芯呈小段狀，裂隙發(fā)育，有夾層泥，取芯率40%圖2 綜合柱狀圖2.1 地質(zhì)構(gòu)造根據(jù)礦方提供的《山西省沁水煤田長(zhǎng)治礦區(qū)霍爾辛赫井田3號(hào)煤層勘探（精查）地質(zhì)報(bào)告》評(píng)審意見(jiàn)書，井田內(nèi)沿走向及傾向伴有落差大小不一的斷層6條，其中正斷層3條，逆斷層3條作為井田北界的二崗山南北正斷層全長(zhǎng)大于40km，其中井田內(nèi)3號(hào)煤層處延伸0.85km，落差130m。

井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱和巖漿巖構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類型2.2 水文地質(zhì)情況 根據(jù)礦方提供的資料，礦井主要含水層為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層及太原組石灰?guī)r溶蝕裂隙含水層，各含水層富水性?shī)W灰?guī)r的含水性較強(qiáng)，其余含水層一般較弱，對(duì)礦井充水影響較小；奧灰水水位標(biāo)高為644.07m，高于3號(hào)煤層底板136.86-395.98m，屬于承壓開(kāi)采，一般情況下在無(wú)構(gòu)造溝通時(shí)3號(hào)煤層不會(huì)發(fā)生底板突水2.3 地應(yīng)力2007年在回風(fēng)大巷及輔運(yùn)大巷進(jìn)行了水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)試結(jié)果回風(fēng)大巷附近最大水平主應(yīng)力為13.71MPa，方向?yàn)镹22°E，最小水平主應(yīng)力為8.95MPa，垂直主應(yīng)力為11.37MPa；輔運(yùn)大巷附近最大水平主應(yīng)力為12.50MPa，方向?yàn)镹27°E，最小水平主應(yīng)力為7.20MPa，垂直主應(yīng)力為11.10MPa2.4 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試 采用錨桿拉拔計(jì)確定樹脂錨固劑的粘結(jié)強(qiáng)度該測(cè)試工作必須在井下施工之前進(jìn)行完畢測(cè)試應(yīng)采用施工中所用的錨桿和樹脂藥卷，分別在巷道頂板和兩幫設(shè)計(jì)錨固深度上進(jìn)行三組拉拔試驗(yàn)粘結(jié)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后方可在井下施工中采用3 錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)原則3.1.1 支護(hù)參數(shù)確定的原則(1) 一次支護(hù)原則。

錨桿支護(hù)應(yīng)盡量一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護(hù)一方面，這是礦井實(shí)現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，為采礦服務(wù)的巷道和硐室等工程，需要保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修；另一方面，這是錨桿支護(hù)本身的作用原理決定的巷道圍巖一旦揭露立即進(jìn)行錨桿支護(hù)效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護(hù)效果會(huì)受到顯著影響2) 高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過(guò)托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性3) “三高一低”原則即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則在提高錨桿強(qiáng)度（如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強(qiáng)度）、剛度（提高錨桿預(yù)應(yīng)力、加長(zhǎng)或全長(zhǎng)錨固），保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度4) 臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度，如果支護(hù)強(qiáng)度與剛度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。

因此，設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度應(yīng)大于臨界值5) 相互匹配原則錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護(hù)的整體支護(hù)作用6) 可操作性原則提供的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進(jìn)速度的提高7) 在保證巷道支護(hù)效果和安全程度，技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟(jì)合理，有利于降低巷道支護(hù)綜合成本3.1.2 支護(hù)參數(shù)確定的依據(jù)(1) 鄰近工作面或類似巷道現(xiàn)有支護(hù)狀況和礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)；(2) 回風(fēng)大巷及輔運(yùn)大巷詳細(xì)的地質(zhì)資料以及地質(zhì)力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)；(3) 數(shù)值模擬分析結(jié)果；(4) 現(xiàn)有科技成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)3.2 巷道支護(hù)斷面設(shè)計(jì)考慮到掘進(jìn)過(guò)程中設(shè)備尺寸，通風(fēng)要求和巷道圍巖變形預(yù)留量，設(shè)計(jì)回風(fēng)大巷及輔運(yùn)大巷的掘進(jìn)斷面尺寸如下：回風(fēng)大巷斷面呈矩形，凈斷面寬5.0m，高3.5m，掘進(jìn)斷面分別為寬5.20m，高3.57m，掘進(jìn)斷面18.56m2；輔運(yùn)大巷掘進(jìn)斷面尺寸為：巷道斷面呈矩形，凈寬5.0m，高3.57m，掘進(jìn)斷面為寬5.20，高3.75m，掘進(jìn)斷面積18.56m2，出車線附近斷面為寬6.20m，高3.57m，掘進(jìn)斷面22.13 m2。

3.3 錨桿支護(hù)初始設(shè)計(jì)3.3.1 輔運(yùn)大巷模擬方案輔運(yùn)大巷埋深420m左右，地應(yīng)力較高，煤層強(qiáng)度較低，巷道服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，因此需要采用強(qiáng)力錨桿+錨索支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)為了得到最優(yōu)支護(hù)設(shè)計(jì)方案，采用了三維離散元軟件（3DEC）進(jìn)行了數(shù)值模擬研究模擬方案如下：（1）無(wú)支護(hù)條件下的巷道變形和應(yīng)力分布2）采用錨桿支護(hù)條件下的巷道變形和應(yīng)力分布3）改變頂板錨桿數(shù)目，分別模擬了頂板錨桿為6，7，8根三種4）改變錨桿排距，分別模擬了錨桿排距：800mm，1000mm，1200m三種情況5）改變錨索，分別模擬了有錨索和無(wú)錨索兩種情況3.3.2 輔運(yùn)大巷數(shù)值模擬結(jié)果（1）無(wú)支護(hù)條件下巷道圍巖變形和應(yīng)力分布圖3給出了無(wú)支護(hù)條件下巷道圍巖變形分布從圖3可以看出巷道頂板和兩幫變形較大：其中頂板中間部分變形最大，達(dá)到75-87mm，巷道兩幫變形為60~75mm巷道局部最大變形達(dá)到87.8mm圖4給出了無(wú)支護(hù)條件下巷道垂直應(yīng)力分布從垂直應(yīng)力分布看，巷道頂板和底板垂直應(yīng)力下降最為明顯，應(yīng)力等值線呈拱形分布，應(yīng)力下降區(qū)進(jìn)入頂、底板深度很大，隨著進(jìn)入頂?shù)装迳疃仍黾?，垂直?yīng)力恢復(fù)為正常水平；而巷道兩幫表面垂直應(yīng)力下降明顯，低于正常水平，但進(jìn)入兩幫較深部位，垂直應(yīng)力迅速升高，高于正常水平，隨著進(jìn)入深度增加，兩幫垂直應(yīng)力恢復(fù)正常水平。

圖5給出了無(wú)支護(hù)條件下巷道水平應(yīng)力分布從水平應(yīng)力分布看，巷道兩幫水平應(yīng)力下降區(qū)進(jìn)入兩幫深度很大，而且兩幫表面水平應(yīng)力下降劇烈，是潛在的拉深伸應(yīng)力破壞區(qū)；巷道頂?shù)装灞砻嫠綉?yīng)力下降幅度較大，但隨著進(jìn)入頂?shù)装迳疃燃由?，水平?yīng)力逐漸升高，并出現(xiàn)一個(gè)水平應(yīng)力升高區(qū)，然后又逐漸恢復(fù)正常水平圖3 無(wú)支護(hù)巷道圍巖變形圖4 無(wú)支護(hù)巷道垂直應(yīng)力分布圖5 無(wú)支護(hù)巷道水平應(yīng)力分布（2）錨桿支護(hù)條件下巷道變形錨桿支護(hù)可以顯著改善圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，保持圍巖的完整性，提高圍巖自身的承載能力，減少巷道的變形和位移本節(jié)采用如下錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)錨桿支護(hù)的作用進(jìn)行了研究：直徑排距頂錨桿長(zhǎng)度幫錨桿長(zhǎng)度錨索頂錨桿數(shù)幫錨桿數(shù)φ22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根74圖6給出了無(wú)支護(hù)條件下巷道圍巖變形分布從6可以看出巷道頂板中部變形最大，變形范圍達(dá)到62~73mm，兩幫變形范圍為50~63mm巷道頂板和兩幫局部最大變形達(dá)到72.4mm對(duì)比有支護(hù)和無(wú)支護(hù)條件下巷道變形圖，可以看到錨桿支護(hù)可以控制巷道圍巖變形，顯著減少圍巖位移在本模型中，支護(hù)對(duì)于減少兩幫變形的效果非常顯著，錨桿支護(hù)后單側(cè)幫位移減少15mm左右錨桿支護(hù)條件下頂板位移顯著減少，最大減少幅度達(dá)到15mm左右。

圖7給出了錨桿支護(hù)條件下巷道垂直應(yīng)力分布，與無(wú)支護(hù)條件下垂直應(yīng)力分布圖4相比，應(yīng)力分布特征類似，但是巷道頂?shù)装鍦\部圍巖中的低應(yīng)力區(qū)范圍有明顯的減少圖8給出了錨桿支護(hù)條件下巷道水平應(yīng)力分布，與無(wú)支護(hù)條件下水平應(yīng)力分布圖5相比，應(yīng)力分布特征類似，但是巷道兩幫淺部圍巖中的水平低應(yīng)力區(qū)范圍有明顯的的減少通過(guò)對(duì)錨桿支護(hù)和無(wú)支護(hù)條件下巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，錨桿支護(hù)可以改善頂板和兩幫的應(yīng)力分布狀態(tài)，保持圍巖的完整性，提高圍巖自身的承載能力，從而達(dá)到改善支護(hù)效果的作用圖6 錨桿支護(hù)條件下巷道圍巖變形圖7錨桿支護(hù)條件下巷道垂直應(yīng)力分布圖8 錨桿支護(hù)條件下巷道水平應(yīng)力分布（3）頂板錨桿數(shù)目對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響頂板錨桿數(shù)目的多少不僅決定了錨桿支護(hù)強(qiáng)度的高低，而且能影響錨桿的支護(hù)剛度因此改變?cè)黾^桿數(shù)目能夠影響巷道的支護(hù)效果為了研究錨桿數(shù)目對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，采用如下三種不同頂板錨桿數(shù)目的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬：直徑排距頂錨桿長(zhǎng)度幫錨桿長(zhǎng)度錨索頂錨桿數(shù)幫錨桿數(shù)φ22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根64φ22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根74φ22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根84圖9、10、11分別給出了三種支護(hù)方案的模擬結(jié)果。

圖9頂板6根錨桿巷道變形圖圖10 頂板7根錨桿巷道變形圖圖11 頂板8根錨桿巷道變形圖圖9、10、11分別給出了頂板錨桿為6、7、8時(shí)的位移分布圖從3個(gè)位移分布圖可以看出，位移分布特征基本相同，但位移量有比較明顯的變化6根錨桿巷道變形最大，局部最大位移達(dá)73.7 mm，7根錨桿巷道局部最大位移為72.4 mm，8根錨桿巷道變形最小，局部最大位移為71.9 mm模擬結(jié)果表明隨著錨桿數(shù)目的增加，巷道變形有所減少，隨著錨桿數(shù)目減少，巷道變形顯著增加當(dāng)錨桿增加到一定數(shù)目后，再增加錨桿對(duì)巷道變形減少幫助不大4）錨桿排距對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響錨桿排距的大小決定了錨桿支護(hù)密度，即支護(hù)強(qiáng)度的高低，并且能影響錨桿支護(hù)的剛度因此改變錨桿排距能夠影響巷道的支護(hù)效果為了研究錨桿排距對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，采用如下三種不同排距的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬：直徑。