大同矿区石炭系地质构造挤压带倾斜煤层巷道支护

冯月新

大同矿区石炭系地质构造挤压带倾斜煤层巷道支护

冯月新

针对大同矿区石炭系地质构造挤压带巷道支护难题，对整体锚固结构形成的各部位的支护参数进行了分析，对整体锚固结构支护方案与普通支护进行了分析比较，提出了符合实际的支护参数并实施，试验效果较好。

地质构造挤压带；整体锚固结构；巷道支护

大同矿区白洞煤业公司C5#煤层掘进的5102巷道，由于巷道位置靠近煤层露头线和向斜构造的向斜轴及断层带，煤层倾角大（最大40°），围岩受向斜构造及断层的影响严重，煤体裂隙发育、非常破碎，围岩极易冒落。在这样的地质条件下，如何进行巷道的稳定性控制便成为工程中迫切需要解决的技术问题。

预应力锚杆支护对围岩是一种综合性作用，除了具有可以改善围岩受力状态、提高围岩承载能力、锚固松动岩体等基本功能外，由锚杆、被锚固围岩共同组成的锚固结构还具有很强的承载能力，且对围岩变形具有很好的适应性。在对5102巷进行加固时，首选预应力锚杆，以整体锚固结构理论为指导进行支护。通过现场实际检验，取得了不错的效果。

整体锚固结构中的顶板承载结构层近似于一个两端固定支撑的梁，只不过在煤层这种多节理、裂隙的介质中，这种梁形成的力学条件不同于组合梁理论，它是依靠锚杆预紧力在煤体中产生的横向挤压作用形成的。

形成整体锚固结构需要的顶板锚杆（垂直顶板安装）的预紧力可按照下式计算：

1 整体锚固结构的形成条件

顶、帮锚固体形成整体锚固结构，能克服普通锚固结构存在角部薄弱环节的缺陷，一定程度上可防止两帮沿顶、底发生错动而向巷道挤入，从而减小巷道变形，更大限度地改善锚固区围岩的受力状态，从而提高锚固结构的径向刚度，增强锚固结构对深部围岩的径向约束，使巷道围岩的稳定性得到改善。对全煤巷道锚杆支护的相似模拟研究成果表明，锚杆布置方式不同，围岩的加固效果也会有所不同，锚杆加固后以在围岩中形成整体拱形锚固结构（图1b） 为最佳，形成框形整体锚固结构（图1a）次之。整体锚固结构理论对锚杆施加在围岩上的预紧力依赖程度很高。

式中：P——锚杆预紧力；

q——巷道顶压集度；

b——巷道跨度；

k0——围岩的二维裂隙度；

c——围岩的内聚力；

μ——围岩的泊松比；

L2——锚杆有效长度；

a——锚杆间（排）距；

φ——围岩内摩擦角；

π——圆周率。

形成整体锚固结构需要的顶角锚杆（位于顶板角部，向垂直方向外偏α0角度安装）的预紧力Pj按照

下式计算：

形成整体锚固结构需要的帮锚杆（水平方向或垂直两帮安装）的预紧力按照下式计算：

式中：Pb——帮锚杆预紧力；

h——巷道高度；

RC——两帮围岩的平均单轴抗压强度；

n0——两帮锚杆根数；

f——φ的正切函数值；

l2——帮锚杆的有效长度。

形成整体锚固结构需要的偏转一定角度安装的靠近顶底角的帮锚杆需要的预紧力Pbj按照下式计算：

式中β0为靠近顶、底角的帮锚杆与水平方向或垂直帮的方向之间的夹角，其余符号同前。

2 不同支护方案模拟分析

利用数值模拟手段就两种典型的锚固结构（见图2），即整体锚固结构和普通锚固结构以及无支护条件下围岩的应力状态及变形特征进行对比分析。

模拟时模型尺寸取为40 m×40 m，巷道尺寸为4.2 m×3.3 m，顶板锚杆长度为2.4 m，两帮锚杆长度为2.0 m。

从拉、压应力区分布特征看，整体锚固结构使更大范围的巷道围岩处于压缩应力状态，更适合岩体抗压强度大于抗拉强度的力学特征，有利于保持巷道围岩的稳定性。从应力分布特征看，整体锚固结构和普通锚固结构的作用都使围岩中的应力状态发生了一定的改变，整体锚固结构在巷道角部的结构特性使顶、帮锚固体在两端边界处更接近于固定约束（弯矩及切向支反力均较大），从而表现出较强的抗弯曲变形特性；而普通锚固结构的顶、帮锚固体在两端边界处所受的约束则相对较弱，因而表现出更明显的弯曲变形现象。从围岩应变、变形特征上看，整体锚固结构支护条件下的位移小于普通锚固结构条件下的位移。整体锚固结构在巷道帮、顶交接范围内位移的控制明显优于普通锚固结构。

综合分析数值模拟各项数据可以判断：整体锚固结构的支护效果优于普通锚固结构的支护效果。

3 现场支护方案确定

鉴于支护对象结构的特殊性，锚杆支护时需要辅以金属网、W钢带及钢筋托梁，并在巷道顶板用锚索进行补强支护。

具体支护方案为：锚杆+金属网+W钢带（顶）+钢筋梯（帮）+锚索补强联合支护。

根据现场地质条件进行综合分析计算后，最终的支护参数为：

顶锚杆长度2.4 m，帮锚杆长度2.2 m，锚杆直径22 mm；锚索为7股φ5 mm高强度钢绞线组成，长度为8.3 m。

见第12页图3，4，5。

4 现场效果分析

5102 巷于2009年12月1日开始施工，2010年6月27日完成掘进，巷道掘进总长度1 656 m，围岩全部采用项目研究的支护方案及支护参数进行支护；2010年8月～2011年2月，完成了白洞煤业公司同样位于向斜构造挤压带内的5104巷和5106巷的掘进施工，2条巷道掘进进尺分别为1 700 m和1 680 m。实测数据表明，上述巷道稳定状态满足生产使用要求，取得了较好效果。

Carboniferous Roadway Supporting Technology of Geological Tectonic Compression Belt in carboniferous System of Datong Coal Mine

Feng Yuexin

Aiming at the problem of roadway supporting about carboniferous geological tectonic compression belt in Datong Coal Mine,this paper analyses the supporting parameters in different parts of the integral anchorage structure,compares the integral anchor structure supporting with common supporting.It puts forward practical supporting parameters and puts into practice,and the experimental effect is good.

geological tectonic compression belt;integral anchorage structure;roadway supporting

TD353

A

1000-4866（2011）04-0010-03

冯月新，男，1964年12月出生，硕士学位，高级工程师，现任大同煤矿集团公司副总工程师。曾获中国煤炭工业科技奖和中国安全生产科技成果奖多项。

2011-09-22

2011-10-13