【正文】 煤礦回風大巷及輔運大巷支護初始設計方案1 錨桿支護設計方法介紹 現(xiàn)有的錨桿支護設計方法很多，如基于以往經(jīng)驗和圍巖分類的經(jīng)驗設計法，基于某種假說和解析計算的理論設計法，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控設計法。大量實踐經(jīng)驗證明，單獨采用任何一種方法都不符合巷道圍巖復雜性和多變性的特點，因而達不到理想的設計效果。只有采用包括試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學評估、初始設計、井下監(jiān)測和信息反饋、修正設計和日常監(jiān)測的動態(tài)信息設計方法,才是符合井下巷道圍巖特性的科學的設計方法。其中試驗點調(diào)查包括圍巖強度、圍巖結(jié)構(gòu)、地應力及錨固性能測試等內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上進行地質(zhì)力學評估和圍巖分類，為初始設計提供可靠的參數(shù)。初始設計采用數(shù)值計算和經(jīng)驗法相結(jié)合的方法進行，根據(jù)圍巖參數(shù)和已有實測數(shù)據(jù)確定出比較合理的初始設計。然后將初始設計實施于井下，并進行詳細的圍巖位移和錨桿受力監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果驗證或修正初始設計。正常施工后還要進行日常監(jiān)測，保證巷道安全。本設計包括試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學評估，錨桿支護初始設計，井下施工所需材料、設備和工藝，礦壓監(jiān)測設計和儀器等內(nèi)容。2 試驗點調(diào)查和地質(zhì)力學評估霍爾辛赫回風大巷及輔運大巷的布置如圖1。圖1 回風大巷及輔運大巷布置圖根據(jù)礦方提供的地質(zhì)資料，回風大巷現(xiàn)在都是沿頂板掘進，輔運大巷沿底板掘進，從頂板地應力測試孔所取出的巖芯來看（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，灰黑色、水平紋理發(fā)育，可見植物化石，基本無巖芯；再往上為泥質(zhì)砂巖，灰色，夾薄層細砂巖。巖 性厚度（m）累計厚度（m）巖層柱狀巖 性 描 述泥巖灰黑色，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 地質(zhì)構(gòu)造根據(jù)礦方提供的《山西省沁水煤田長治礦區(qū)霍爾辛赫井田3號煤層勘探（精查）地質(zhì)報告》評審意見書，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大于40km，落差130m。井田內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱和巖漿巖。構(gòu)造屬簡單類型。 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，各含水層富水性奧灰?guī)r的含水性較強，其余含水層一般較弱，對礦井充水影響較?。?，屬于承壓開采，一般情況下在無構(gòu)造溝通時3號煤層不會發(fā)生底板突水。 地應力2007年在回風大巷及輔運大巷進行了水壓致裂地應力測量，方向為N22176。E，；，方向為N27176。E。 粘結(jié)強度測試 采用錨桿拉拔計確定樹脂錨固劑的粘結(jié)強度。該測試工作必須在井下施工之前進行完畢。測試應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計錨固深度上進行三組拉拔試驗。粘結(jié)強度滿足設計要求后方可在井下施工中采用。3 錨桿支護初始設計 設計原則 支護參數(shù)確定的原則(1) 一次支護原則。錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。一方面，這是礦井實現(xiàn)高效、安全生產(chǎn)的要求，為采礦服務的巷道和硐室等工程，需要保持長期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修；另一方面，這是錨桿支護本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護效果會受到顯著影響。(2) 高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數(shù)，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預應力；另一方面，通過托板、鋼帶等構(gòu)件實現(xiàn)錨桿預應力的擴散，擴大預應力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。(3) “三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度（如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度）、剛度（提高錨桿預應力、加長或全長錨固），保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度。(4) 臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設計錨桿支護系統(tǒng)的強度與剛度應大于臨界值。(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)與力學性能應相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學性能應相互匹配，以最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。(6) 可操作性原則。提供的錨桿支護設計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。(7) 在保證巷道支護效果和安全程度，技術(shù)上可行、施工上可操作的條件下，做到經(jīng)濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。 支護參數(shù)確定的依據(jù)(1) 鄰近工作面或類似巷道現(xiàn)有支護狀況和礦壓觀測數(shù)據(jù)；(2) 回風大巷及輔運大巷詳細的地質(zhì)資料以及地質(zhì)力學測試數(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踐經(jīng)驗。 巷道支護斷面設計考慮到掘進過程中設備尺寸，通風要求和巷道圍巖變形預留量，設計回風大巷及輔運大巷的掘進斷面尺寸如下：回風大巷斷面呈矩形，，，；輔運大巷掘進斷面尺寸為：巷道斷面呈矩形，，，， m2。 錨桿支護初始設計 輔運大巷模擬方案輔運大巷埋深420m左右，地應力較高，煤層強度較低，巷道服務時間長，因此需要采用強力錨桿+錨索支護系統(tǒng)進行支護。為了得到最優(yōu)支護設計方案，采用了三維離散元軟件（3DEC）進行了數(shù)值模擬研究。模擬方案如下：（1）無支護條件下的巷道變形和應力分布。（2）采用錨桿支護條件下的巷道變形和應力分布。（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錨索兩種情況。 輔運大巷數(shù)值模擬結(jié)果（1）無支護條件下巷道圍巖變形和應力分布圖3給出了無支護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，達到7587mm，巷道兩幫變形為60~75mm。圖4給出了無支護條件下巷道垂直應力分布。從垂直應力分布看，巷道頂板和底板垂直應力下降最為明顯，應力等值線呈拱形分布，應力下降區(qū)進入頂、底板深度很大，隨著進入頂?shù)装迳疃仍黾?，垂直應力恢復為正常水平；而巷道兩幫表面垂直應力下降明顯，低于正常水平，但進入兩幫較深部位，垂直應力迅速升高，高于正常水平，隨著進入深度增加，兩幫垂直應力恢復正常水平。圖5給出了無支護條件下巷道水平應力分布。從水平應力分布看，巷道兩幫水平應力下降區(qū)進入兩幫深度很大，而且兩幫表面水平應力下降劇烈，是潛在的拉深伸應力破壞區(qū)；巷道頂?shù)装灞砻嫠綉ο陆捣容^大，但隨著進入頂?shù)装迳疃燃由?，水平應力逐漸升高，并出現(xiàn)一個水平應力升高區(qū)，然后又逐漸恢復正常水平。圖3 無支護巷道圍巖變形圖4 無支護巷道垂直應力分布圖5 無支護巷道水平應力分布（2）錨桿支護條件下巷道變形錨桿支護可以顯著改善圍巖的應力分布狀態(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)采用如下錨桿支護參數(shù)對錨桿支護的作用進行了研究：直徑排距頂錨桿長度幫錨桿長度錨索頂錨桿數(shù)幫錨桿數(shù)φ22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根74圖6給出了無支護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，變形范圍達到62~73mm，兩幫變形范圍為50~63mm。對比有支護和無支護條件下巷道變形圖，可以看到錨桿支護可以控制巷道圍巖變形，顯著減少圍巖位移。在本模型中，支護對于減少兩幫變形的效果非常顯著，錨桿支護后單側(cè)幫位移減少15mm左右。錨桿支護條件下頂板位移顯著減少，最大減少幅度達到15mm左右。圖7給出了錨桿支護條件下巷道垂直應力分布，與無支護條件下垂直應力分布圖4相比，應力分布特征類似，但是巷道頂?shù)装鍦\部圍巖中的低應力區(qū)范圍有明顯的減少。圖8給出了錨桿支護條件下巷道水平應力分布，與無支護條件下水平應力分布圖5相比，應力分布特征類似，但是巷道兩幫淺部圍巖中的水平低應力區(qū)范圍有明顯的的減少。通過對錨桿支護和無支護條件下巷道圍巖應力分布狀態(tài)對比可以發(fā)現(xiàn)，錨桿支護可以改善頂板和兩幫的應力分布狀態(tài)，保持圍巖的完整性，提高圍巖自身的承載能力，從而達到改善支護效果的作用。圖6 錨桿支護條件下巷道圍巖變形圖7錨桿支護條件下巷道垂直應力分布圖8 錨桿支護條件下巷道水平應力分布（3）頂板錨桿數(shù)目對巷道穩(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強度的高低，而且能影響錨桿的支護剛度。因此改變增件錨桿數(shù)目能夠影響巷道的支護效果。為了研究錨桿數(shù)目對巷道穩(wěn)定性的影響，采用如下三種不同頂板錨桿數(shù)目的支護參數(shù)進行模擬：直徑排距頂錨桿長度幫錨桿長度錨索頂錨桿數(shù)幫錨桿數(shù)φ22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根64φ22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根74φ22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根84圖11分別給出了三種支護方案的模擬結(jié)果。圖9頂板6