霍尔辛赫煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计 2008年5月煤矿回风大巷及辅运大巷支护初始设计方案1 锚杆支护设计方法介绍 现有的锚杆支护设计方法很多，如基于以往经验和围岩分类的经验设计法，基于某种假说和解析计算的理论设计法，以现场监测数据为基础的监控设计法。大量实践经验证明，单独采用任何一种方法都不符合巷道围岩复杂性和多变性的特点，因而达不到理想的设计效果。只有采用包括试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测和信息反馈、修正设计和日常监测的动态信息设计方法,才是符合井下巷道围岩特性的科学的设计方法。其中试验点调查包括围岩强度、围岩结构、地应力及锚固性能测试等内容，在此基础上进行地质力学评估和围岩分类，为初始设计提供可靠的参数。初始设计采用数值计算和经验法相结合的方法进行，根据围岩参数和已有实测数据确定出比较合理的初始设计。然后将初始设计实施于井下，并进行详细的围岩位移和锚杆受力监测，根据监测结果验证或修正初始设计。正常施工后还要进行日常监测，保证巷道安全。本设计包括试验点调查和地质力学评估，锚杆支护初始设计，井下施工所需材料、设备和工艺，矿压监测设计和仪器等内容。2 试验点调查和地质力学评估霍尔辛赫回风大巷及辅运大巷的布置如图1。图1 回风大巷及辅运大巷布置图根据矿方提供的地质资料，回风大巷现在都是沿顶板掘进，辅运大巷沿底板掘进，从顶板地应力测试孔所取出的岩芯来看（图2），巷道直接顶是15m左右的砂质泥岩，灰黑色，裂隙发育；砂质泥岩之上为约3m左右的泥岩，灰黑色、无岩芯；泥岩之上为砂质泥岩，厚度约为1m，灰黑色、岩芯成小片状，有自然裂隙；砂质泥岩之上为泥岩，厚度约为2.6m，灰黑色、水平纹理发育，可见植物化石，基本无岩芯；再往上为泥质砂岩，厚度为2.6m，灰色，夹薄层细砂岩。岩 性厚度（m）累计厚度（m）岩层柱状岩 性 描 述泥岩2.621.6灰黑色，岩芯破碎，取芯20%砂质泥岩119灰黑色，岩芯成小段状，取芯40%泥岩318灰黑色，岩芯破碎，取芯30%砂质泥岩1515灰黑色，节理发育，岩芯呈小段状，裂隙发育，有夹层泥，取芯率40%图2 综合柱状图2.1 地质构造根据矿方提供的山西省沁水煤田长治矿区霍尔辛赫井田3号煤层勘探（精查）地质报告评审意见书，井田内沿走向及倾向伴有落差大小不一的断层6条，其中正断层3条，逆断层3条。作为井田北界的二岗山南北正断层全长大于40km，其中井田内3号煤层处延伸0.85km，落差130m。井田内未发现陷落柱和岩浆岩。构造属简单类型。2.2 水文地质情况 根据矿方提供的资料，矿井主要含水层为奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层及太原组石灰岩溶蚀裂隙含水层，各含水层富水性奥灰岩的含水性较强，其余含水层一般较弱，对矿井充水影响较小；奥灰水水位标高为644.07m，高于3号煤层底板136.86-395.98m，属于承压开采，一般情况下在无构造沟通时3号煤层不会发生底板突水。2.3 地应力2007年在回风大巷及辅运大巷进行了水压致裂地应力测量，测试结果回风大巷附近最大水平主应力为13.71MPa，方向为N22E，最小水平主应力为8.95MPa，垂直主应力为11.37MPa；辅运大巷附近最大水平主应力为12.50MPa，方向为N27E，最小水平主应力为7.20MPa，垂直主应力为11.10MPa。2.4 粘结强度测试 采用锚杆拉拔计确定树脂锚固剂的粘结强度。该测试工作必须在井下施工之前进行完毕。测试应采用施工中所用的锚杆和树脂药卷，分别在巷道顶板和两帮设计锚固深度上进行三组拉拔试验。粘结强度满足设计要求后方可在井下施工中采用。3 锚杆支护初始设计3.1 设计原则3.1.1 支护参数确定的原则(1) 一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，为采矿服务的巷道和硐室等工程，需要保持长期稳定，不能经常维修；另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。(2) 高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。(3) “三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、加长或全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。(4) 临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。(5) 相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。(6) 可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。(7) 在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。3.1.2 支护参数确定的依据(1) 邻近工作面或类似巷道现有支护状况和矿压观测数据；(2) 回风大巷及辅运大巷详细的地质资料以及地质力学测试数据；(3) 数值模拟分析结果；(4) 现有科技成果和工程实践经验。3.2 巷道支护断面设计考虑到掘进过程中设备尺寸，通风要求和巷道围岩变形预留量，设计回风大巷及辅运大巷的掘进断面尺寸如下：回风大巷断面呈矩形，净断面宽5.0m，高3.5m，掘进断面分别为宽5.20m，高3.57m，掘进断面18.56m2；辅运大巷掘进断面尺寸为：巷道断面呈矩形，净宽5.0m，高3.57m，掘进断面为宽5.20，高3.75m，掘进断面积18.56m2，出车线附近断面为宽6.20m，高3.57m，掘进断面22.13 m2。3.3 锚杆支护初始设计3.3.1 辅运大巷模拟方案辅运大巷埋深420m左右，地应力较高，煤层强度较低，巷道服务时间长，因此需要采用强力锚杆+锚索支护系统进行支护。为了得到最优支护设计方案，采用了三维离散元软件（3DEC）进行了数值模拟研究。模拟方案如下：（1）无支护条件下的巷道变形和应力分布。（2）采用锚杆支护条件下的巷道变形和应力分布。（3）改变顶板锚杆数目，分别模拟了顶板锚杆为6，7，8根三种。（4）改变锚杆排距，分别模拟了锚杆排距：800mm，1000mm，1200m三种情况。（5）改变锚索，分别模拟了有锚索和无锚索两种情况。3.3.2 辅运大巷数值模拟结果（1）无支护条件下巷道围岩变形和应力分布图3给出了无支护条件下巷道围岩变形分布。从图3可以看出巷道顶板和两帮变形较大：其中顶板中间部分变形最大，达到75-87mm，巷道两帮变形为6075mm。巷道局部最大变形达到87.8mm。图4给出了无支护条件下巷道垂直应力分布。从垂直应力分布看，巷道顶板和底板垂直应力下降最为明显，应力等值线呈拱形分布，应力下降区进入顶、底板深度很大，随着进入顶底板深度增加，垂直应力恢复为正常水平；而巷道两帮表面垂直应力下降明显，低于正常水平，但进入两帮较深部位，垂直应力迅速升高，高于正常水平，随着进入深度增加，两帮垂直应力恢复正常水平。图5给出了无支护条件下巷道水平应力分布。从水平应力分布看，巷道两帮水平应力下降区进入两帮深度很大，而且两帮表面水平应力下降剧烈，是潜在的拉深伸应力破坏区；巷道顶底板表面水平应力下降幅度较大，但随着进入顶底板深度加深，水平应力逐渐升高，并出现一个水平应力升高区，然后又逐渐恢复正常水平。图3 无支护巷道围岩变形图4 无支护巷道垂直应力分布图5 无支护巷道水平应力分布（2）锚杆支护条件下巷道变形锚杆支护可以显著改善围岩的应力分布状态，保持围岩的完整性，提高围岩自身的承载能力，减少巷道的变形和位移。本节采用如下锚杆支护参数对锚杆支护的作用进行了研究：直径排距顶锚杆长度帮锚杆长度锚索顶锚杆数帮锚杆数22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根74图6给出了无支护条件下巷道围岩变形分布。从6可以看出巷道顶板中部变形最大，变形范围达到6273mm，两帮变形范围为5063mm。巷道顶板和两帮局部最大变形达到72.4mm。对比有支护和无支护条件下巷道变形图，可以看到锚杆支护可以控制巷道围岩变形，显著减少围岩位移。在本模型中，支护对于减少两帮变形的效果非常显著，锚杆支护后单侧帮位移减少15mm左右。锚杆支护条件下顶板位移显著减少，最大减少幅度达到15mm左右。图7给出了锚杆支护条件下巷道垂直应力分布，与无支护条件下垂直应力分布图4相比，应力分布特征类似，但是巷道顶底板浅部围岩中的低应力区范围有明显的减少。图8给出了锚杆支护条件下巷道水平应力分布，与无支护条件下水平应力分布图5相比，应力分布特征类似，但是巷道两帮浅部围岩中的水平低应力区范围有明显的的减少。通过对锚杆支护和无支护条件下巷道围岩应力分布状态对比可以发现，锚杆支护可以改善顶板和两帮的应力分布状态，保持围岩的完整性，提高围岩自身的承载能力，从而达到改善支护效果的作用。图6 锚杆支护条件下巷道围岩变形图7锚杆支护条件下巷道垂直应力分布图8 锚杆支护条件下巷道水平应力分布（3）顶板锚杆数目对巷道稳定性的影响顶板锚杆数目的多少不仅决定了锚杆支护强度的高低，而且能影响锚杆的支护刚度。因此改变增件锚杆数目能够影响巷道的支护效果。为了研究锚杆数目对巷道稳定性的影响，采用如下三种不同顶板锚杆数目的支护参数进行模拟：直径排距顶锚杆长度帮锚杆长度锚索顶锚杆数帮锚杆数22mm1000mm2400mm2400mm隔排3根6422mm1000mm2400mm2400mm隔排3根7422mm1000mm2400mm2400mm隔排3根84图9、10、11分别给出了三种支护方案的模拟结果。图9顶板6根锚杆巷道变形图图10 顶板7根锚杆巷道变形图图11 顶板8根锚杆巷道变形图图9、10、11分别给出了顶板锚杆为6、7、8时的位移分布图。从3个位移分布图可以看出，位移分布特征基本相同，但位移量有比较明显的变化。6根锚杆巷道变形最大，局部最大位移达73.7 mm，7根锚杆巷道局部最大位移为72.4 mm，8根锚杆巷道变形最小，局部最大位移为71.9 mm。模拟结果表明随着锚杆数目的增加，巷道变形有所减少，随着锚杆数目减少，巷道变形显著增加。当锚杆增加到一定数目后，再增加锚杆对巷道变形减少帮助不大。（4）锚杆排距对巷道稳定性的影响锚杆排距的大小决定了锚杆支护密度，即支护强度的高低，并且能影响锚杆支护的刚度。因此改变锚杆排距能够影响巷道的支护效果。为了研究锚杆排距对巷道稳定性的影响，采用如下三种不同排距的支护参数进行模拟：直径