【正文】 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 ，高 ，掘進(jìn)斷面分別為寬 ，高 ，掘進(jìn)斷面 ；輔運(yùn)大巷掘進(jìn)斷面尺寸為：巷道斷面呈矩形，凈寬 ，高 ，掘進(jìn)斷面為寬 ，高 ，掘進(jìn)斷面積，出車(chē)線附近斷面為寬 ，高 ，掘進(jìn)斷面 m2。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。 （ 2）采用錨桿支護(hù)條件下的巷道變形和應(yīng)力分布。 （ 4）改變錨桿排距，分別模擬了錨桿排距： 800mm， 1000mm， 1200m 三種情況。 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。巷道局部最大變形達(dá)到 。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。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。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) φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 7 4 圖 6 給出了無(wú)支護(hù)條件下巷道圍巖變形分布。巷道頂板和兩幫局部最大變形達(dá)到 。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。 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。 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。因此改變?cè)黾^桿數(shù)目能夠影響巷道的支護(hù)效果。 圖 9 頂板 6 根錨桿巷道變形圖 13 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 14 圖 11 分別給出了頂板錨桿為 8 時(shí)的位移分布 圖。 6 根錨桿巷道變形最大，局部最大位移達(dá) mm， 7 根錨桿巷道局部最大位移為 mm， 8 根錨桿巷道變形最小，局部最大位移為 mm。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。因此改變錨桿排距能夠影響巷道 的支護(hù)效果。 圖 12 排距 800mm 巷道變形圖 15 圖 13 排距 1000mm 巷道變形圖 圖 14 排距 1200mm 巷道變形圖 16 圖 1 1 14 分別給出了排距 800mm、 1000mm、 1200mm 的位移分布圖。排距 800 mm 時(shí)巷道變形最小，局部最大位移達(dá) mm，排距 1000mm 時(shí)巷道局部最大位移為 mm，排距 1200mm 時(shí)巷道變形最大，局部最大位移為 mm。當(dāng)排距減少到一定程度后，減少排距對(duì)降低巷道變形作用幫助不 大。 為了研究錨索對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，采用如下兩種支護(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) φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 3 根 7 4 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 無(wú) 7 4 圖 1 16 分別給出了兩種支護(hù)方案的模擬 結(jié)果。從圖中可以看出，巷道變形特征基本相同，但無(wú)錨索巷道變形明顯大于有錨索巷道，有錨索巷道最大變形為 mm，無(wú)錨索巷道變形為 。 輔運(yùn)大巷數(shù)值模擬研究結(jié)論 （ 1）數(shù)值模擬研究表明改變錨桿數(shù)目、排距等對(duì)巷道的穩(wěn)定性都有明顯的影響。 （ 3） 3DEC 數(shù)值模擬軟件雖然考慮了巖層中重要的分層結(jié)構(gòu)面，但無(wú)法詳細(xì)研究巖體破壞后新形成的裂隙面對(duì)巖層的削弱作用，而這些巖體破壞后新形成的裂隙面會(huì)隨時(shí)間的推移發(fā)生滑動(dòng)和弱化，表現(xiàn)為長(zhǎng)期變形現(xiàn)象。因此本研究得到的變形量一般僅考慮了巷道開(kāi)挖后短時(shí)間內(nèi)的變形行為，沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)載荷和蠕變的影響。二者沒(méi)有可比性。這種差別只是表明巷道變形初期的差別，這種微小的差別會(huì)對(duì)巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性發(fā)揮重要的影響。 （ 5）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選，最終確定支護(hù)參數(shù)為錨桿直徑（頂和幫）φ 22mm、排距 1000mm、錨桿長(zhǎng)度（頂、幫） 2400mm、頂板 7 根錨桿、幫 4根錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)為隔排 3 根布置。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。 （ 2）采用錨桿支護(hù)條件下的巷道變形和應(yīng)力分布。 （ 4）改變錨桿排距，分別模擬了錨桿排距： 800mm， 1000mm， 1200m 三種情況。 回風(fēng)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 17 給出了無(wú)支護(hù)條件下巷道圍巖變形分布。巷道局部最大變形達(dá)到 81mm。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)装迳疃仍黾樱怪睉?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。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。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。從圖 20 可以看出巷道頂板中部變形最大，變形范圍達(dá)到 62~67mm，兩幫變形范圍為 50~63mm。 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。 圖 21 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 18 相比，應(yīng)力分布特征類似，但是巷道頂?shù)装鍦\部圍巖中的垂直低應(yīng)力區(qū)范圍有一定的減少。 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。因此改變?cè)黾^桿數(shù)目能夠影響巷道的支護(hù)效果。 圖 23 頂板 5 根錨桿巷道變形圖 24 圖 24 頂板 6 根錨桿巷道變形圖 圖 25 頂板 7 根錨桿巷道變形圖 25 圖 2 2 25 分別給出了頂板錨桿為 7 時(shí)的位移分布圖。 5 根錨桿巷道變形最大，局部最大位移達(dá) mm， 6 根錨桿巷道局部最大位移為 mm， 7 根錨桿巷道變形最小，局部最大位移為 mm。當(dāng)錨桿增加到一定數(shù)目后，再增加錨桿對(duì)減少巷道變形幫助不大。因此改變錨桿排距能夠影響巷道的支護(hù)效果。 圖 26 排距 800mm 巷道變形圖 26 圖 27 排距 1000mm 巷道變形圖 圖 28 排距 1200mm 巷道變形圖 27 圖 2 2 28 分別給出了排距 800mm、 1000mm、 1200mm 的位移分布圖。排距 800 mm 時(shí)巷道變形最小，局部最大位移達(dá) mm，排距 1000mm 時(shí)巷道局部最大位移為 mm，排距 1200mm 時(shí)巷道變形最大，局部最大位移為 mm。當(dāng)排距減少到一定程度后，減少排距對(duì)降低巷道變形幫助不大。 為了研究錨索對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，采用如下兩種支護(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) φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 隔排 2 根 6 4 φ 22mm 1000mm 2400mm 2400mm 無(wú) 6 4 圖 2 30 分別給出了兩種支護(hù)方案的模擬結(jié)果。從圖中可以看出，巷道變形特征基本相同，但無(wú)錨索巷道變形明顯大于有錨索巷道，有錨索巷道最大變形為 mm，無(wú)錨索巷道變形為 。 回風(fēng)大巷數(shù)值模擬研究結(jié)論 （ 1）數(shù)值模擬研究表明改變錨桿數(shù)目、排距等對(duì)巷道 的穩(wěn)定性都有明顯的影響。 （ 3） 3DEC 數(shù)值模擬軟件雖然考慮了巖層中重要的分層結(jié)構(gòu)面，但無(wú)法詳細(xì)研究巖體破壞后新形成的裂隙面對(duì)巖層的削弱作用，而這些巖體破壞后新形成的裂隙面會(huì)隨時(shí)間的推移發(fā)生滑動(dòng)和弱化，表現(xiàn)為長(zhǎng)期變形現(xiàn)象。因此本研究得到的變形量一般僅考慮了巷道開(kāi)挖后短時(shí)間內(nèi)的變形行為，沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)載荷和蠕變的影響。二者沒(méi)有可比性。這種差別只是表明巷道變形初期的差別，這種微小的差別會(huì)對(duì)巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性發(fā)揮重要的影響。 （ 5）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選，最終確定支護(hù)參數(shù)為錨桿直徑（頂和幫）φ 22mm、排距 1000mm、錨桿長(zhǎng)度（頂、幫） 2400mm、頂板 6 根錨桿、幫 4根錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)為隔排 2 根布置。 回風(fēng)大巷支護(hù)方案 (1) 頂板支護(hù) 錨桿形式和規(guī)格：桿體為 22左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度 ，桿尾螺紋為 M24。鉆孔直徑為 30mm，錨固長(zhǎng)度為 1200mm。 托板：采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)配合球形墊和減阻尼龍墊圈。 網(wǎng)片規(guī)格：采用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格 80 80mm，網(wǎng)片規(guī)格 5200 1100mm。 錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到 。 錨索布置：每 2021mm 打 2 根錨索，安設(shè)位置在距離兩幫 1700mm，兩根錨索間距 1800mm，垂直頂板巖層。 (2) 巷幫支護(hù) 錨桿形式和規(guī)格：桿體為 22左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度 ，桿尾螺紋為 M24。鉆孔直徑為 30mm。 托板：采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)配合球形墊和減阻尼龍墊圈。 錨桿布置：錨桿排距 1000mm，每排每幫 4 根錨桿，間距 1000mm。 錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到 。 輔運(yùn)大巷支護(hù)方案 (1) 頂板支護(hù) 錨桿形式和規(guī)格：桿體為 22左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度 ，桿尾螺紋為 M24。鉆孔直徑為 30mm，錨固長(zhǎng)度為 1200mm。 托板：采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)配合球形墊和減阻尼龍墊圈。 網(wǎng)片規(guī)格：采用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格 80 80mm，網(wǎng)片規(guī)格 5200 1000mm。 錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到 。 錨索布置：每 1800mm 打 2 根錨索，安設(shè)位置在距離兩幫 1700mm，兩根錨索間距 1800mm，垂直頂板巖層。 (2) 巷幫支護(hù) 錨桿形式和規(guī)格：桿體為 22左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度 ，桿尾螺紋為 M24。鉆孔直徑為 30mm。 托板：采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)配合球形墊和減阻尼龍墊圈。 錨桿布置：錨桿排距 900mm，每排每幫 4 根錨桿，間距 1000mm。 錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到 。 輔運(yùn)大巷出車(chē)線段支護(hù)方案 (1) 頂板支護(hù) 錨桿形式和規(guī)格：桿體為 22左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度 ，桿尾螺紋為 M24。鉆孔直徑為 30mm，錨固長(zhǎng)度 為 1200mm。 托板：采用拱型高強(qiáng)度托盤(pán)配合球形墊和減阻尼龍墊圈，承載能力不低于 23t。 網(wǎng)片規(guī)格：采用鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格 80 80mm，網(wǎng)片規(guī)格 6200 1000mm。 錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到 。