锚网索支护在软岩巷道中的应用

胡光华

锚网索支护在软岩巷道中的应用

胡光华

(霍州煤电集团有限责任公司生产技术部，山西 霍州 031400)

针对软岩巷道返修率高和支护难的问题，提出了采用锚网索支护的机理和设计方法，并用FLAC软件模拟验证支护设计的有效性，在支护施工过程中加强对支护质量的控制采取了针对性的技术措施，巷道支护监测数据显示，围岩的变形得到了有效控制，在工程应用中取得了显著的技术经济效果。

软岩;参数;锚网索支护;矿压监测

辛置煤矿地质条件复杂，煤层顶底板松软，巷道破坏严重，支护越来越困难，返修率较高，维护费用较大。二采区掘进的4#煤层(沿煤层)区段巷，以前主要采用棚式支护，曾连续返修7次，严重影响了正常生产，亟需采用一种新的更有效的支护方式来支护巷道，保证生产的正常进行。锚杆支护作为一种有效的支护方式在回采巷道支护方面得到了广泛的应用，通过围岩内部的杆体，改变了围岩本身的力学状态，提高了围岩的强度，从而在巷道周围形成了一个完整稳定的承载力，与围岩共同作用，支护效果良好，必要时再辅助锚索支护，对围岩进行补强，因此，可以应用于软岩巷道的支护。

1 锚网索支护设计

1.1 工程概况

辛置煤矿二采区位于斜井西翼，上至－50标高，下至－120标高，西至斜井向斜轴，东至斜井煤柱线，全区平均走向长550 m，倾斜长260 m。本区4#煤层煤质松软破碎，煤层顶底板松软，节理发育明显，煤层中含2～4层镜状夹石，夹石厚度不均，且变化较大。煤层最大厚度为19 m，最小厚度为3.8 m，平均厚度为6 m。煤层柱状图见图1。

1.2 支护机理

图1 煤层柱状图

根据围岩松动圈理论，岩层碎胀，强度低，松动圈尺寸为1.50 m，属于大松动圈，围岩为软岩，采用锚杆形式形成组合拱支护软岩，可以达到良好的效果。组合拱理论认为：在拱形巷道围岩的破裂区中安装锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在岩体中形成一个均匀的压缩带，即组合拱。组合拱是利用锚杆的锚固力对破碎围岩进行加固，使松动圈内破碎围岩的强度恢复进入支护状态。

1.3 围岩松动圈的测定

采用PHD－2型声波检测仪按照声波测试法对围岩松动圈进行测定，测定结果见图2。

由图2可知，巷道两帮围岩松动圈的范围为1.2 ～1.6 m。

图2 围岩松动圈测定结果

1.4 设计参数的确定

1.4.1 巷道断面的确定

从力学原理来看，巷道采用圆形断面效果最好，但是考虑到巷道使用方便，采用直墙半圆形断面，巷道净宽3 600 mm，净高3 000 mm，断面形状见图3。

图3 巷道断面形状示意图

1.4.2 锚杆参数的确定

1)锚杆间排距的确定。

式中：

M—锚杆间排距;

N—围岩影响系数，顶板围岩系数取1.2，边帮围岩系数取 1.1。

考虑围岩强度低及地应力相对较大等特点，结合工程类比法，现对锚杆的间排距进行缩小，顶锚杆间距取0.6 m，帮锚杆间距取 0.6 m。

2)锚杆长度的确定。

顶锚杆：

帮锚杆：

式中：

L—锚杆全长，m;

B—组合拱厚度，m;

M—锚杆间排距，m;

L2—锚杆外露长度，m。

考虑围岩强度低及地应力相对较大等特点，结合工程类比法，现对锚杆长度加长，顶锚杆长度取2.2 m，帮锚杆长度取2.0 m。

3)锚杆直径的确定。

考虑到围岩强度低及地应力相对大等特点，用工程类比法，现对锚杆的直径进行加粗，顶锚杆直径为22 mm，帮锚杆直径为20 mm。

4)锚杆类型的选择。

锚杆选择矿方已使用的螺纹钢等强锚杆，锚固方式选为全长锚固，选用树脂锚固剂，锚杆初始预应力为2 t。

1.4.3 锚索参数的确定

1)锚索长度的确定。

式中：

La—锚索长度，m;

La1—锚索外露长度，m;

La2—锚索有效长度，m;

La3—锚索锚固长度，m。

2)锚索类型的选择。

锚索选择矿方已使用的直径为15.22 mm的钢绞线锚索，锚索锚固方式选为全长锚固，选用树脂锚固剂，锚索初始预应力为4 t。

1.4.4 金属网及钢筋梯参数的确定

金属网形状选用经纬网，材料选用圆钢，规格为d=6 mm，网孔为 @50 mm×50 mm。

钢筋梯选择圆钢焊接而成，材料选用圆钢，规格为d=14 mm，钢筋梯宽B=100 mm，加强筋间距800 mm。

1.5 支护设计

支护设计平面图见图4。

图4 支护设计平面图

1.6 巷道支护设计数值模拟

本设计方案采用FLAC有限差分数值分析计算软件，对锚网索支护方案的有效性进行分析。煤岩物理力学参数见表1。

表1 煤岩物理力学参数

模型模拟：

本次锚网索支护巷道数值模拟应用的是FLAC2D软件，模拟结果见图5，图6。

图5 围岩应力分布图

由图5，图6模拟结果分析可知：模拟验证的锚网索支护方案是一种主动支护形式，不是被动地承受围岩压力，而是主动地控制围岩的力学性态变化，使支护与围岩共同作用，充分发挥了围岩的自身承载力，围岩从荷载变为承载，变消极因素为积极因素，限制了围岩的变形、位移、裂隙向围岩深部发展，尽量保持了围岩的完整性与稳定性。由此可见，本支护方案是合理可行的，模拟数据也充分证明了这一点。

图6 围岩位移分布图

2 矿压监测

监测面布置在距该巷道锚网索支护起始位置60 m处。该监测面表面位移数据见表2，表面位移变化曲线见图7。

表2 监测面表面位移观测表

图7 监测断面位移变化曲线图

由表2，图7观测分析可知：巷道支护后5～15 d围岩在不断的调整和变化之中，变形速度较快。顶板下沉量较小，最大下沉量为13 mm，两帮收敛量较大，最大收敛量为30 mm。而后围岩运动趋于平缓，此时，塑性区边界不再向围岩深部发展，围岩趋于稳定。

3 结论

巷道围岩松动圈的测定为支护设计提供了可靠数据，进一步确定了围岩类别为不稳定围岩，采用组合拱理论计算、工程类比法和实测法进行设计，并对设计方案的可行性进行数值模拟验证，在支护施工过程中对围岩关键部位实施高预应力的锚杆支护，采取技术措施对支护质量进行严格控制，矿压监测的结果显示，支护达到了预期目的，支护方案是合理可行的。

软岩在锚网索支护作用下，特别是预应力锚杆、锚索的使用下增强了主动支护的作用，形成了一个整体的组合拱，增强了组合拱的自身强度，限制了围岩变形向巷道深部发展，改善了围岩应力场，使组合拱的应力状态接近于原岩应力状态，在这种组合拱的作用下充分利用了巷道围岩的自承载能力，确保了软岩巷道支护的有效性。锚网索支护在辛置矿软岩巷道支护中得到了广泛的应用，降低了劳动强度，确保了生产的正常进行，取得了较好的支护效果。

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［6］ 李家鳌.煤巷锚索支护［J］.煤炭科学技术，1997(12)：52 －53.

Application on Bolt－Mesh－Anchor Support in Soft Rock Roadway

Hu Guang－hua

The mechanism and design method of bolt－mesh－anchor support are used for solving the problem of high repair rate and difficult support in soft rock roadway.FLAC software simulation results verify the effectiveness of the design.The technical measures are taken to control quality during construction.The monitoring date of roadway support shows that wall rock has been effectively controlled.Engineering application achieved significant technical and economic effects.

Soft rock;Parameter;Bolt－mesh－anchor support;Rock pressure;Monitoring

TD353

A

1672－0652(2012)07－0009－04

2012－05－09

胡光华(1975—)，男，湖南桃源人，2011年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事煤矿安全生产管理方面的研究(E －mail)403177894@qq.com