摘要：淺析合理選擇支護(hù)參數(shù)的必要性、工程地質(zhì)條件對(duì)支護(hù)的影響、支護(hù)應(yīng)遵循的基本原理，以及支護(hù)參數(shù)選擇與確定方法等。
一、引言
煤礦巷道支護(hù)方法對(duì)掘進(jìn)速度、支護(hù)材料消耗、支護(hù)成本和采面的端頭支護(hù)等影響較大。如今采準(zhǔn)巷道的斷面都在不斷加大，迫切需要改善和簡化巷道與端頭的支護(hù)工藝。經(jīng)過大量的實(shí)踐證明：錨噴支護(hù)在巖巷中表征著良好的力學(xué)特征，實(shí)現(xiàn)了懸吊組合梁和楔固機(jī)理，有效地加固了頂板巖層，保持了巷道頂板的完整性，使頂板處于良好的受力狀態(tài)，并有效地控制了頂板的自由變形。在現(xiàn)實(shí)中，由于一些客觀因素的影響，很多巷道都不能根據(jù)巷道類別的不同而優(yōu)先選用相應(yīng)的支護(hù)工藝及參數(shù)。研究相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，對(duì)正確指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，確保巷道穩(wěn)定、控制施工成本有著極其重要的作用。
二、工程地質(zhì)條件對(duì)支護(hù)的影響
朔里礦業(yè)公司北三運(yùn)輸大巷，擔(dān)負(fù)著采區(qū)的煤炭、材料、設(shè)備等運(yùn)輸任務(wù)，在施工過程中，進(jìn)入下石盒子組泥巖。該層位的泥巖特性為：呈灰黑色，節(jié)理發(fā)育，層理不清，性脆致密，呈塊狀，具鮞粒結(jié)構(gòu)，局部含植物化石，穩(wěn)定性差，吸水易變軟和膨脹。巷道圍巖巖性較差，且受到淋水的作用，從而巖體局部較軟，承載能力較低，對(duì)巷道的后期穩(wěn)定造成了極大影響，屬于穩(wěn)定性較差或不穩(wěn)定巷道。對(duì)這種情況，如果采用剛性金屬支架支護(hù)，成本顯然較高，施工難度大，且承載能力不足以抵抗回采引起動(dòng)壓的互動(dòng)作用。所以應(yīng)考慮采用主動(dòng)支護(hù)方式，通過選用合理的錨噴聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以充分調(diào)動(dòng)圍巖本身作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，共同承受動(dòng)壓作用，以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。
三、支護(hù)應(yīng)遵循的基本原理
巷道支護(hù)參數(shù)是否合理，不僅與確定參數(shù)的理論依據(jù)有關(guān)，還與巷道的穩(wěn)定性有關(guān)。工程測試作為“新奧法”的核心內(nèi)容，是確定巷道支護(hù)形式、參數(shù)、時(shí)間的一個(gè)重要依據(jù)。
對(duì)于錨桿支護(hù)系統(tǒng)來說，其可靠的理論基礎(chǔ)，可以參照“圍巖松動(dòng)圈巷道支護(hù)理論”。該理論在處理采動(dòng)巷道支護(hù)時(shí)有兩個(gè)設(shè)計(jì)思想：一是未受采動(dòng)影響時(shí)，以最小松動(dòng)圈LPO為依據(jù)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，支護(hù)體在受采動(dòng)影響維護(hù)正常，用液壓或摩擦支柱超前維護(hù)；二是以采動(dòng)影響期間的最大松動(dòng)圈LPd為依據(jù)，所設(shè)計(jì)的支護(hù)體在采動(dòng)支承壓力作用期間也能正常維護(hù)。
根據(jù)影響巖巷穩(wěn)定性的主要因素：巖性或巖層層位構(gòu)造應(yīng)力，圍繞裂隙發(fā)育程度和動(dòng)壓等客觀因素，對(duì)巖石巷道圍巖松動(dòng)深度范圍進(jìn)行實(shí)測和支護(hù)現(xiàn)狀分析。我們可以采用“BA—Ⅱ型圍巖松動(dòng)圈測試儀”進(jìn)行松動(dòng)圈測試。通過測試，可知原巖整體性較好，波速較高(均大于3.5×103m/s)。而經(jīng)受采動(dòng)壓力影響后的圍巖，其松動(dòng)圈內(nèi)的巖體裂隙發(fā)育顯著，整體性明顯較差，波速較低。松動(dòng)圈大部分達(dá)到1.0m，甚至1.6m以上，并且有因孔深不足而未測出其實(shí)際松動(dòng)范圍，以致可能會(huì)更大。所以，將這種巷道劃分為不穩(wěn)定巷道。
四、支護(hù)參數(shù)選擇與確定方法
錨桿支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)取決于巖體抗壓強(qiáng)度、材料特性、引發(fā)應(yīng)力的大小和分布，以及巷道的允許變形程度和服務(wù)年限，巷道尺寸和形狀等條件。同時(shí)，支護(hù)設(shè)計(jì)要以“新奧法”的施工思想為指導(dǎo)，根據(jù)施工地質(zhì)條件不同，選擇不同的支護(hù)參數(shù)。而錨桿支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和支護(hù)參數(shù)的確定，主要是指錨桿類型、間排距、長度、直徑、錨固力。我們只有合理地確定錨桿支護(hù)參數(shù)，才能獲得錨桿支護(hù)在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的最佳效果。對(duì)此類型的工程地質(zhì)情況，巷道的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)就可以采用理論公式計(jì)算和結(jié)合工程類比法來確定之。
1）斷面形狀確定。采用離散元數(shù)值分析法，可對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而得出相應(yīng)的結(jié)論：在巷道頂部基本形成一個(gè)近似半圓形的卸載松動(dòng)區(qū)，根據(jù)錨桿支護(hù)能使塑性破壞后松動(dòng)的煤體形成具有一定承載能力，且在一定范圍內(nèi)適應(yīng)圍巖變形的平衡拱這一原理，所以巷道斷面選用直墻半圓拱形斷面為最好。根據(jù)設(shè)備布置要求，確定錨網(wǎng)支護(hù)條件下巷道斷面為直墻半圓拱形，頂板兩角呈圓弧形過渡。
2）錨桿長度確定。錨桿安設(shè)在頂板中，其被錨固的巖層并不厚，在它上面有老頂時(shí)，則錨桿的長度只要使其錨固部分固定在老頂內(nèi)≥200～300mm即可。這樣我們就可按照單體錨桿懸吊理論來計(jì)算錨桿長度。
L=L2+m+L1
式中：L2為錨桿頂部進(jìn)入老頂?shù)拈L度，mm；m為錨固巖層厚度，mm；L1為錨桿露出孔外長度，mm。
其中L2長度，可根據(jù)桿體設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度等于錨固端部的粘結(jié)力，具體計(jì)算公式如下：
通過πd2σ拉/4=πdL2τ粘，可推導(dǎo)出L2的計(jì)算公式：
L2=dσ拉/4τ粘
式中：d為錨桿直徑，mm；σ拉為桿體材料設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，MPa；σ粘為錨桿與砂槳的粘結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)采用螺紋鋼時(shí)，取5.0MPa。
其中錨固巖層厚度m，可按冒落拱高度的k倍計(jì)算。具體計(jì)算公式如下：
m=kb
式中：k為安全系數(shù)，取1.3～1.5；b為自然冒落拱高，b=B/2F，cm；B為巷道掘進(jìn)寬度，cm；F為巖石堅(jiān)固性系數(shù)。
其中錨桿露出孔外長度L1計(jì)算為：
L1=托板厚+螺帽厚+螺帽外露出長度
值得注意的是：巷道全部在巖體中掘進(jìn)，支護(hù)重點(diǎn)應(yīng)放在頂部。
3）錨桿間排距計(jì)算。在一般情況下，錨桿支護(hù)布置呈正方形，即錨桿間距等于錨桿排距。根據(jù)錨桿懸吊作用理論，計(jì)算公式如下：
a=0.887d
式中：γ為巖石密度，2.5kg/cm2；k為安全系數(shù)，取2；a為錨桿間距，mm；m為錨固層厚，取1.1m；d為錨桿直徑，mm；σ拉為桿體材料設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，取38×103kg/cm2。
對(duì)于這類巷道支護(hù)，考慮到這類巷道圍巖巖體強(qiáng)度低，且要受到動(dòng)壓作用，因此可適當(dāng)加大組合拱厚度，降低應(yīng)力集中值，這也可減少錨桿間排距。
4）錨桿直徑計(jì)算。各種錨桿的錨固力須與桿體本身的抗拉強(qiáng)度相適應(yīng)，即錨桿的實(shí)際錨固力要大于或等于桿體抗拉極限，這樣才能充分發(fā)揮錨桿材料的作用。因此，錨桿體的直徑可按桿體的抗拉力等于錨桿實(shí)際的錨固力的原則確定。計(jì)算公式如下：
P拉=π/4d2σ
由P拉=Q拉，求得：d=1.13
式中：P拉為錨桿桿體材料的抗拉力，kN；σ拉為錨桿桿體材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度；Q固為錨桿的錨固力；d為錨桿的直徑。
根據(jù)上式，經(jīng)計(jì)算為：d=1.13×=14.2(mm)
考慮到這類巷道變形量較大，加上很多錨桿錨固力低，易失效，可將其錨固力提高到60kN，則d=d+2=16.2mm，即選取d=16mm方能滿足。
5）錨桿類型選擇。為了節(jié)約材質(zhì)，又能增強(qiáng)錨桿絲頭強(qiáng)度，我們可以采用滾絲方式來加工等強(qiáng)度錨桿，并與之匹配采用Φ16mm的加厚螺母進(jìn)行外端托盤加固，以便保障支護(hù)的安全性。
五、結(jié)語
對(duì)于不穩(wěn)定巷道的支護(hù)來說，掘進(jìn)后的巷道應(yīng)力重新分布，壓力穩(wěn)定和采動(dòng)影響等不同階段，必須進(jìn)行礦壓觀測，了解穩(wěn)定性，使各中變形量能在控制范圍。
具體操作：
?、倜恐苓M(jìn)行巷道圍巖表面位移觀測，先多后少。
?、谠鲈O(shè)觀測點(diǎn)，對(duì)頂板離層進(jìn)行觀測，間隔不超過5d。
③每個(gè)斷面布置四個(gè)測點(diǎn)對(duì)錨桿受力狀況進(jìn)行觀測。
?、芫o跟迎頭進(jìn)行松動(dòng)圈測試。
通過分析不穩(wěn)定巷道的破壞機(jī)理、確定松動(dòng)范圍和觀測變形量為依據(jù)，合理設(shè)計(jì)支護(hù)體系?？稍阱^噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)注漿錨桿進(jìn)行注漿加固，保證施工后靜壓下的穩(wěn)定，不需返修；在動(dòng)壓作用下，也能保證巷道的局部穩(wěn)定。
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