華晟榮煤礦沿空掘巷及錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

華晟榮煤礦沿空掘巷及錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中國礦業(yè)大學(xué)華晟榮煤礦2010年1月目錄1 沿空掘巷概述 12 試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件 22.1 3104軌道巷布置 22.2 試驗(yàn)巷道地質(zhì)柱狀 23 試驗(yàn)巷道圍巖力學(xué)性能測試 53.1 單軸抗壓強(qiáng)度 53.1.1 頂板單軸抗壓強(qiáng)度 73.1.2 煤單軸抗壓強(qiáng)度 73.1.3 底板單軸抗壓強(qiáng)度 73.2 抗拉強(qiáng)度 83.2.1 頂板抗拉強(qiáng)度 93.2.2 煤抗拉強(qiáng)度 93.2.3 底板抗拉強(qiáng)度 104 窄煤柱合理寬度 114.1 UDEC簡介 114.2 數(shù)值模擬模型的建立 124.2.1 數(shù)值模擬模型 124.2.2 數(shù)值模擬方案 144.2.3 數(shù)值模擬的步驟 144.3 窄煤柱掘巷期間煤柱應(yīng)力分布 144.4 窄煤柱變形機(jī)理 164.5 煤柱寬度對(duì)巷道變形的影響 184.6 窄煤柱寬度的合理確定 204.6.1 確定窄煤柱合理寬度的原則 204.6.2 合理的窄煤柱寬度 215 3104軌道巷沿空掘巷段錨桿支護(hù)設(shè)計(jì) 225.1 錨桿支護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀 225.2 錨桿支護(hù)理論 225.3 3104軌道巷沿空掘巷段錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì) 245.3.1 數(shù)值模擬內(nèi)容 245.3.2 3104軌道巷沿空掘巷段錨桿支護(hù)參數(shù)合理確定 255.4 錨桿支護(hù)材料消耗 325.5 施工要求及材料要求 335.5.1 施工要求 335.5.2 施工工藝與支護(hù)材料要求 336 3104軌道順槽礦壓觀測方案 346.1 觀測內(nèi)容 346.2 測站設(shè)置 346.3 礦壓設(shè)備 366.4 觀測要求 36沿空掘巷概述國內(nèi)外一些學(xué)者認(rèn)為留窄煤柱沿空掘巷圍巖變形比完全沿空掘巷大得多，留窄煤柱沿空掘巷不僅在掘巷期間圍巖變形強(qiáng)烈，而且在巷道掘出后仍保持較大的速度持續(xù)變形，無論在掘進(jìn)期間或工作面采動(dòng)影響期間巷道圍巖變形量要比完全沿空掘巷大1倍以上；巷道變形主要來自窄煤柱；窄煤柱不僅對(duì)巷道頂板不能起支撐作用，相反，使巷道的實(shí)際跨度和懸頂距離增加，對(duì)巷道維護(hù)極為不利；由于窄煤柱大多已經(jīng)壓裂，甚至坍塌，造成采空區(qū)有害氣體滲漏。上述結(jié)論是在淺部開采、架棚支護(hù)、薄及中厚煤層巷道基礎(chǔ)上研究總結(jié)的。隨著開采深度增加、綜合機(jī)械化采煤方法的廣泛應(yīng)用和高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，仍采用原有的結(jié)論來認(rèn)識(shí)窄煤柱的穩(wěn)定性顯然是不夠的。事實(shí)上，留窄煤柱的沿空掘巷已經(jīng)在我國的潞安、兗州等許多礦區(qū)得到成功應(yīng)用，在受到工作面采動(dòng)影響之前圍巖并未發(fā)生塑性流變，大部分巷道是穩(wěn)定的。國內(nèi)也有部分巷道變形量較大，在掘巷期間需要返修，但在工作面采動(dòng)影響期間巷道變形量較大。窄煤柱是沿空掘巷圍巖的一個(gè)重要組成部分，其穩(wěn)定性直接影響巷道整體穩(wěn)定性，因此，開展沿空掘巷的窄煤柱穩(wěn)定性研究具有重要的意義。由于上區(qū)段工作面回采，在采空區(qū)邊緣形成側(cè)向支撐壓力，采空區(qū)邊緣煤體形成破碎區(qū)和塑性區(qū)，承載能力降低，但由于沿空掘巷在基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，處于應(yīng)力降低區(qū)，因此，巷道掘進(jìn)對(duì)窄煤柱不會(huì)產(chǎn)生大的影響。工作面受采動(dòng)影響后，超前采動(dòng)支承壓力和側(cè)向支承壓力疊加，弧形三角塊結(jié)構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉，采空區(qū)冒落矸石及巷道實(shí)體煤幫壓縮下沉，巷道圍巖活動(dòng)劇烈、變形量大，尤其在弧形三角塊結(jié)構(gòu)給定變形作用下，窄煤柱兩側(cè)的破碎區(qū)向煤柱中央發(fā)展而急劇變形。

試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件3104軌道巷布置3104軌道巷位于三一采區(qū)回風(fēng)巷北，西面緊鄰3102回采工作面，東面為3104膠帶巷，該工作面呈南北布置。巷道總長1482m，開口位置在3102風(fēng)巷，三一采區(qū)膠帶巷向里366m位置處。根據(jù)3102放水巷初步勘查，在900m位置處約有直徑70m的陷落柱。為了優(yōu)化采區(qū)巷道布置，提高采出率，3104軌道巷推進(jìn)至該陷落柱處，采用沿空掘巷進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)。巷道布置如圖2.1所示。圖2.13104軌道巷布置平面圖試驗(yàn)巷道地質(zhì)柱狀根據(jù)華晟榮煤礦提供資料，選擇3104軌道巷距離較近的30-1鉆孔作為設(shè)計(jì)主要依據(jù)，同時(shí)參考綜合地質(zhì)柱狀圖。30-1鉆孔柱狀圖見表2-1。表2-1 30-1鉆孔柱狀巖石名稱深度厚度巖性描述中粗粒砂巖370.083.10灰白—灰色，礦物成份以石英為主，含大量白云母碎片，分選性差，次棱角狀，具斜層理。砂質(zhì)泥巖374.684.60深灰色，塊狀，較致密，性脆，斷口平坦，水平層理，富含植物化石碎片。泥巖377.582.90灰色，塊狀，致密，性脆，斷口平坦，水平層理，含大量植物化石碎片。細(xì)粒砂巖382.194.61灰色，厚層狀，礦物成份以石英為主，長石次之，具緩狀層理。砂質(zhì)泥巖383.961.77深灰色，厚層狀，含水云母及白云母及白云母碎片，水平層理，具裂隙，含植物化石。細(xì)粒砂巖384.460.50灰色，厚層狀，成份以石英為主，長石次之，含白云母碎片。泥巖386.462.00灰黑色，塊狀，致密，夾少量炭質(zhì)泥巖。煤392.486.02黑色，塊狀為主，汪量粉末狀，光亮型煤，鏡煤和亮煤為主，玻璃光澤，內(nèi)生裂隙發(fā)育，無夾矸。砂質(zhì)泥巖393.531.05深灰色，薄層狀，含白云母碎片及水云母，少量巖屑，水平層理。細(xì)粒砂巖397.503.97灰色，厚層狀，礦物成份以石英為主，含少量白云母碎片，具緩波狀去理，具裂隙。泥巖399.401.90黑色，厚層狀，致密，斷口平坦。砂質(zhì)泥巖402.152.75深灰—塵黑灰色，厚層狀，含水去母及少量白云母碎片，比重大，堅(jiān)硬，含量少量黃鐵礦顆粒。石灰?guī)r402.600.45灰色，厚層狀，隱晶質(zhì)，裂隙較發(fā)育，具方解石，富含動(dòng)物化石。炭質(zhì)泥巖404.051.45深黑色，厚層狀，致密，平坦?fàn)顢嗫凇Ｉ百|(zhì)泥巖405.301.25灰色，厚層狀，含水云母及少量白云母碎片，比重大，產(chǎn)少量植物碎片化石。石灰?guī)r408.503.20深灰色，厚層狀，致密，隱晶質(zhì)富含次生的星散狀黃鐵礦，具裂隙，方解石脈充填，富含動(dòng)物化石。泥巖408.950.45深灰色，中厚層狀，含大量的星散狀黃鐵礦，具水平層理，有滑面。炭質(zhì)泥巖409.350.40黑色，厚層狀，致密，性脆，平坦?fàn)顢嗫?。砂質(zhì)泥巖412.553.20深灰色，塊狀，較致密，性脆，斷口平坦，局部含鐵質(zhì)，見有星散狀黃鐵礦顆粒，產(chǎn)少量植物碎片化石。

試驗(yàn)巷道圍巖力學(xué)性能測試3104工作面軌道順槽后半段采用沿空掘巷，項(xiàng)目實(shí)施過程中首先應(yīng)測試頂?shù)装寮懊旱膹?qiáng)度，為沿空掘巷參數(shù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。最常用的強(qiáng)度指標(biāo)為單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。單軸抗壓強(qiáng)度所謂巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是指巖石試件在無側(cè)限條件下，受軸向力作用破壞時(shí)單位面積上所承受的載荷。即(3-1)式中：—單軸抗壓強(qiáng)度，有時(shí)也稱作無側(cè)限強(qiáng)度，單位MPa?！跓o側(cè)限條件下，軸向的破壞載荷，單位kN。—試件的直徑，單位mm。按中華人民共和國巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法是在帶有上、下塊承壓板的試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，按一定的加載速度單向加壓直至試件破壞。此外對(duì)試件的加工也有一定的要求。即試件的直徑或邊長為4.8~5.2cm，高度為直徑的2.0~2.5倍，試件兩端面的不平整度不大于0.05mm，在試件的高度上直徑或邊長的誤差不大于0.3mm，兩端面應(yīng)垂直于試件軸線，最大偏差不大于0.25°，由于試件尺寸，加工精度統(tǒng)一，使試驗(yàn)結(jié)果具有較好的可比性。試件的破壞過程如圖3.1～圖3.3所示，圖3.1為完整試塊夾在試驗(yàn)機(jī)上下承壓的情景，圖3.2為裂隙繼續(xù)發(fā)育并逐漸貫通整個(gè)中軸面，圖3.3為試件沿中軸面破壞劈裂，喪失承載能力。圖3.1夾在試驗(yàn)機(jī)上下承壓板之間的完整試件圖3.2試件裂隙貫通圖3.3試件喪失承載能力頂板單軸抗壓強(qiáng)度直接頂頂板為砂質(zhì)泥巖。試驗(yàn)結(jié)果見表3-1，直接頂單軸抗壓強(qiáng)度最大為18.30MPa，最小為11.79MPa，平均為15.90MPa。判斷直接頂巖石壓破壞時(shí)，以最小的單軸抗壓強(qiáng)度11.79MPa為準(zhǔn)。表3-1 頂板單軸抗壓測試結(jié)果序號(hào)直徑/mm高度/mm極限壓力/kN抗壓強(qiáng)度/MPa平均強(qiáng)度/MPa149.098.522.22311.7915.90249.097.834.49718.30349.598.033.86717.61煤單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3-2，煤單軸抗壓強(qiáng)度最大為6.46MPa，最小為5.47MPa，平均為6.02MPa。判斷煤巖壓破壞時(shí)，以最小的單軸抗壓強(qiáng)度5.47MPa為準(zhǔn)。表3-2 煤單軸抗壓測試結(jié)果序號(hào)直徑/mm高度/mm極限壓力/kN抗壓強(qiáng)度/MPa平均強(qiáng)度/MPa149.897.912.5836.466.02249.690.911.8426.13349.398.110.4355.47底板單軸抗壓強(qiáng)度底板為細(xì)粒砂巖。試驗(yàn)結(jié)果見表3-3，直接底單軸抗壓強(qiáng)度最大為29.38MPa，最小為19.90MPa，平均為25.55MPa。判斷直接底壓破壞時(shí)，以最小的單軸抗壓強(qiáng)度19.90MPa為準(zhǔn)。表3-3 底板單軸抗壓測試結(jié)果序號(hào)直徑/mm高度/mm極限壓力/kN抗壓強(qiáng)度/MPa平均強(qiáng)度/MPa148.998.151.35927.3625.552499737.50619.90349.697.556.74829.38抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度一般比抗拉強(qiáng)度大很多，因此直接頂巷道一般發(fā)生拉破壞而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)?？估瓘?qiáng)度采用劈裂法試驗(yàn)，用一個(gè)實(shí)心圓柱形試件，使它承受徑向壓縮線荷載至破壞，求出巖石的抗拉強(qiáng)度，按我國巖石力學(xué)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：試件的直徑為5cm、其高度為直徑的一半。根據(jù)布辛奈斯克半無線體上作用著集中力的解析解，求得試件破壞時(shí)作用在試件中心的最大拉應(yīng)力為：(3-2)式中：—試件中心的最大拉應(yīng)力，即為抗拉強(qiáng)度，單位MPa。P—試件破壞時(shí)的極限壓力，單位kN。D—試件的直徑，單位mm。t—試件的高度，單位mm。試件的破壞過程如圖3.4、圖3.5所示，圖3.4為劈裂試驗(yàn)前完整的試塊，圖3.5為劈裂試驗(yàn)后5個(gè)試塊的破壞情況。圖3.4劈裂試驗(yàn)前完整的試件圖3.5劈裂試驗(yàn)后的破壞情況頂板抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3-4，頂板抗拉強(qiáng)度最大為1.88MPa，最小為1.57MPa，平均為1.72MPa。判斷頂板拉破壞時(shí)，以最小的抗拉強(qiáng)度1.57MPa為準(zhǔn)。表3-4 頂板抗拉測試結(jié)果序號(hào)直徑/mm高度/mm極限壓力/kN抗壓強(qiáng)度/MPa平均強(qiáng)度/MPa149.4750.136.631.701.72249.3449.87.241.88349.5948.625.961.57煤抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3-5，煤抗拉強(qiáng)度最大為0.46MPa，最小為0.33MPa，平均為0.38MPa。判斷煤拉破壞時(shí)，以最小的抗拉強(qiáng)度0.33MPa為準(zhǔn)。表3-5 煤抗拉壓測試結(jié)果序號(hào)直徑/mm高度/mm極限壓力/kN抗壓強(qiáng)度/MPa平均強(qiáng)度/MPa149.5849.691.4550.380.38249.5849.551.4460.37349.4149.871.7860.46449.5733.850.8580.33底板抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3-6，底板抗拉強(qiáng)度最大為1.48MPa，最小為1.30MPa，平均為1.39MPa。判斷底板拉破壞時(shí)，以最小的抗拉強(qiáng)度1.30MPa為準(zhǔn)。表3-6 底板抗拉壓測試結(jié)果序號(hào)直徑/mm高度/mm極限壓力/kN抗壓強(qiáng)度/MPa平均強(qiáng)度/MPa149.3649.335.361.401.39249.1949.254.951.30349.3249.525.671.48

窄煤柱合理寬度在工作面采動(dòng)支承壓力作用下，窄煤柱裂隙發(fā)育、破碎，根據(jù)其賦存狀態(tài)，采用針對(duì)非連續(xù)介質(zhì)模型的離散元數(shù)值計(jì)算程序UDEC3.10進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析窄煤柱的穩(wěn)定性并確定留設(shè)煤柱的大小。3102工作面回采后，已經(jīng)處于穩(wěn)定期，3104軌道巷掘進(jìn)避開了3102工作面超前支撐壓力影響，只受到采空區(qū)側(cè)向支撐壓力影響。UDEC簡介UDEC(UniversalDistinctElementCode)是一種基于非連續(xù)體模擬的離散單元法二維數(shù)值計(jì)算程序。它主要模擬靜載或動(dòng)載條件下非連續(xù)介質(zhì)(如節(jié)理塊體)的力學(xué)行為特征，非連續(xù)介質(zhì)是通過離散塊體的組合來反映的，節(jié)理被當(dāng)作塊體間的邊界條件來處理，允許塊體沿節(jié)理面運(yùn)動(dòng)及回轉(zhuǎn)。單個(gè)塊體可以表現(xiàn)為剛體也可以表現(xiàn)為可變形體。UDEC3.10提供了適合巖土的7種材料本構(gòu)模型和5種節(jié)理本構(gòu)模型，能夠較好地適應(yīng)不同巖性和不同開挖狀態(tài)條件下的巖層運(yùn)動(dòng)的需要，是目前模擬巖層破斷后移動(dòng)過程較為理想的數(shù)值模擬軟件。UDEC離散單元法數(shù)值計(jì)算工具主要應(yīng)用于地下巖體采動(dòng)過程中巖體節(jié)理、斷層、沉積面等對(duì)巖體逐步破壞的影響評(píng)價(jià)。離散元法的基本原理和特點(diǎn)離散元法以受節(jié)理裂隙切割或分立的塊體為出發(fā)點(diǎn)，將研究區(qū)域劃分為單元。單元因受節(jié)理等不連續(xù)面控制，在運(yùn)動(dòng)過程中，單元節(jié)點(diǎn)之間可以分離，即一個(gè)單元與相鄰節(jié)點(diǎn)可以分開。單元之間的相互作用力可以根據(jù)力和位移的關(guān)系求出，而個(gè)別單元的運(yùn)動(dòng)則完全按該單元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小，按牛頓運(yùn)動(dòng)定律求出。UDEC是針對(duì)非連續(xù)介質(zhì)模型的二維離散元數(shù)值計(jì)算程序，它應(yīng)用于計(jì)算機(jī)計(jì)算，主要包括兩方面的內(nèi)容：一是離散的巖塊允許大變形，允許沿節(jié)理面滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和脫離冒落；一是在計(jì)算的過程中能夠自動(dòng)識(shí)別新的接觸。二維的UDEC既可以用于解決平面應(yīng)變問題，也可以用于解決平面應(yīng)力問題；UDEC既可以解決靜態(tài)問題，也可以解決動(dòng)態(tài)問題。UDEC可以定量地分析任何一點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移狀態(tài)，并可以對(duì)其進(jìn)行全程監(jiān)測，所有的工作均可以以直觀化的圖像和數(shù)據(jù)表述。分析問題簡潔直觀明了。UDEC同其他的離散元方法相比有更多的適用性和優(yōu)點(diǎn)，Cundall和Hart在概括了幾種不同的離散元方法和極限平衡方法的特性，顯示出UDEC不同凡響的超眾之處。UDEC是應(yīng)用基于拉格朗日的顯示差分法求解運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力方程；在離散元計(jì)算中仍然滿足動(dòng)量守恒定律。UDEC中有多種材料模型，如庫侖一摩爾模型、零模型(模擬開挖)和節(jié)理模型，適用于不同的巖土介質(zhì)。同時(shí)UDEC可以很好地用“struct”模擬各種不同的支護(hù)系統(tǒng)，如噴射混凝土、錨桿、錨拉支架、錨桿的端錨和全錨以及錨桿和拉桿的預(yù)緊力等，這是其他軟件所做不到的。國內(nèi)外實(shí)用經(jīng)驗(yàn)證明，UDEC于工程實(shí)際問題的解決，于研究設(shè)計(jì)工作都很有裨益，是被證實(shí)為一種很好的數(shù)值計(jì)算軟件，是解決巖土工程問題的理想工具。數(shù)值模擬模型的建立數(shù)值模擬模型根據(jù)華晟榮煤礦3104工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，模擬工作面沿空掘巷窄煤柱的留設(shè)及其穩(wěn)定性。3104軌道巷掘進(jìn)主要受到3102工作面采空區(qū)側(cè)向支撐壓力影響。模擬煤層厚度6.0m，將巷道及窄煤柱、實(shí)體煤一側(cè)30.0m范圍內(nèi)的煤體劃分為0.6m×0.4m（寬×高）的塊體；巷道頂煤劃分為1.5m×0.9m（寬×高）的塊體。巷道直接頂厚度為2.0m，塊體大小劃分為3m×2.5m（寬×高）、1.5m×1m（寬×高）、3m×2.5m（寬×高）的塊體，模擬基本頂厚度為8.0m，塊體大小劃分為6m×4m（寬×高）。整個(gè)模型尺寸（寬×高）150m×63.9m，上邊界載荷按采深390m計(jì)算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，原始數(shù)值計(jì)算模型如圖4.1所示。圖4.1數(shù)值模擬模型窄煤柱數(shù)值模擬采用的巷道寬×高為4.0m×3.1m，基本支護(hù)參數(shù)見圖4.2。錨桿：頂幫錨桿均采用φ20×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿按桿單元考慮，樹脂藥卷加長錨固；頂錨桿和幫錨桿排距均為1000mm。錨索：頂幫采用兩根φ17.8mmL7300mm錨索，錨索間距2000mm，排距2400m，兩根錨索離巷道中線位置距離均為1000mm，布置在兩排錨桿的中間。圖4.2窄煤柱數(shù)值模擬錨桿布置圖數(shù)值模擬方案影響窄煤柱穩(wěn)定性的因素有煤層力學(xué)參數(shù)、煤柱寬度、錨桿支護(hù)強(qiáng)度等，考慮基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)形成后掘巷，窄煤柱在弧形三角塊結(jié)構(gòu)給定變形作用下發(fā)生變形和破壞。結(jié)合華晟榮煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，在給定支護(hù)條件和圍巖力學(xué)參數(shù)條件下，只考慮煤柱寬度，設(shè)計(jì)計(jì)算7個(gè)方案。分別為留設(shè)3、4、5、6、8、10、15m煤柱。見表4.1.表4.1煤柱寬度方案方案方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七煤柱寬度/m345681015數(shù)值模擬的步驟數(shù)值模擬過程主要分為3步，包括：第一步，原巖應(yīng)力平衡計(jì)算；第二步，工作面回采計(jì)算；第三步，沿空掘巷掘進(jìn)及錨桿支護(hù)計(jì)算；窄煤柱掘巷期間煤柱應(yīng)力分布取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力場分布情況。掘進(jìn)期間沿煤柱寬度方向的垂直應(yīng)力分布見圖4.3。圖4.3沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布由圖4.3可見，掘進(jìn)階段工作面沿空掘巷窄煤柱應(yīng)力分布有如下特征：(1)煤柱寬度對(duì)應(yīng)力分布影響較大。煤柱較小時(shí)其應(yīng)力比較小且比較均勻，煤柱由3m增大到15m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本呈增大趨勢，3m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為18.5Mpa，4m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為16.7MPa，5m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為17.2Mpa，但窄煤柱寬度大于6m后垂直應(yīng)力峰值明顯加大，6m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為20.8Mpa，8m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為27.2Mpa，10m時(shí)垂直應(yīng)力峰值為29.2Mpa，15m時(shí)則達(dá)到了31.1MPa，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值的增大不利于煤柱的穩(wěn)定，由此可知，煤柱超過5m后，隨著煤柱寬度的增加，煤柱的穩(wěn)定性逐步降低，4m～(2)煤柱寬度由3m增大到15m時(shí)，窄煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布由近似三角形逐漸向梯形過渡。煤柱寬度為3m～5m時(shí)，垂直應(yīng)力分布近似三角形，煤柱應(yīng)力峰值區(qū)（以應(yīng)力峰值的0.8倍計(jì)算）較小，因此發(fā)生塑性破壞的煤柱區(qū)域也比較小，但煤柱寬度為6m～15m，垂直應(yīng)力分布近似梯形，煤柱應(yīng)力峰值區(qū)比較大，煤柱的穩(wěn)定性明顯減弱。(3)煤柱寬度對(duì)煤柱淺部應(yīng)力的影響：煤柱3m時(shí)，淺部應(yīng)力較大，煤柱4m～6m時(shí)，淺部應(yīng)力較小。煤柱超過6m后，隨著煤柱寬度的增大，淺部應(yīng)力又相應(yīng)的增大。

窄煤柱變形機(jī)理同分析應(yīng)力場分布情況一樣，仍取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)位移場分布特征。掘巷期間煤柱內(nèi)水平位移分布曲線見圖4.4，圖中負(fù)值表示向采空區(qū)內(nèi)側(cè)的位移，正值表示向巷道內(nèi)的位移，煤柱表面向巷道內(nèi)的位移與其寬度的關(guān)系見圖4.5。圖4.4掘巷期間煤柱內(nèi)水平位移分布曲線圖4.5掘巷期間煤柱表面位移特征由圖4.4～圖4.5可見，掘巷期間沿空掘巷煤柱位移具有以下特征：(1)煤柱內(nèi)巷道內(nèi)的位移隨煤柱寬度增大而增大，達(dá)到一定寬度后再由大變小，然后趨于穩(wěn)定。(2)煤柱表面向巷道內(nèi)的位移特征，當(dāng)煤柱留3m時(shí)，煤柱整體向采空區(qū)移動(dòng)，4m～5m煤柱向巷道內(nèi)位移量150mm左右，6m～9m煤柱向巷道內(nèi)位移量急劇增大，達(dá)到400mm，10m～15m時(shí)煤柱向巷道內(nèi)的位移量變化不明顯，但顯著大于4m～5m煤柱向巷道內(nèi)的位移量。(3)當(dāng)煤柱留3m時(shí)，煤柱中部位移急劇變化，沒有穩(wěn)定部分，4m～5m煤柱時(shí)，中部位移穩(wěn)定并較小，當(dāng)煤柱大于5m后，雖然中部也存在穩(wěn)定部分，但向巷道內(nèi)的位移量明顯大于4m～5m煤柱時(shí)的位移量。

煤柱寬度對(duì)巷道變形的影響從煤柱的應(yīng)力場、位移場分布特征來看，煤柱寬度影響巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)、圍巖位移場分布，煤柱對(duì)巷道圍巖變形的作用隨煤柱寬度的變化而變化。巷道圍巖變形與煤柱寬度的關(guān)系見表4.2和圖4.6。表4.2煤柱寬度與巷道圍巖變形關(guān)系煤柱寬度/m移近量/mm3m4m5m6m8m10m15m頂板下沉量/mm532463410420363330320底鼓量/mm125116121213163127.6115.6左幫移近量/mm108136224364440394364右?guī)鸵平?mm300301269276285301291(a)頂板下沉(b)底鼓量(c)兩幫位移量圖4.6圍巖變形與煤柱寬度的關(guān)系由表4.2和圖4.6可見，煤柱寬度對(duì)圍巖變形的影響為：(1)頂板下沉：巷道頂板下沉量隨煤柱寬度增大而減小，煤柱3m～4m時(shí)，頂板下沉量較大，煤柱4m～6m時(shí)，頂板下沉量變化不大，大于8m時(shí)頂板下沉量變化不明顯，但小于煤柱4m～6m時(shí)的頂板下沉量。(2)底鼓：煤柱3m～5m時(shí)底鼓量增加不明顯，大于5m時(shí)增大，當(dāng)煤柱增加到6m時(shí)，底鼓量達(dá)到最大，隨后底鼓量隨著煤柱寬度的增加逐漸減小，10m以后逐漸趨于穩(wěn)定。(3)兩幫移近量：窄煤柱幫水平位移隨煤柱寬度增大而增大，煤柱3m～5m時(shí)位移量較小，煤柱8m時(shí)位移量最大，然后逐漸減小。實(shí)體煤幫位移隨煤柱寬度增大而減小，煤柱5m時(shí)最小，隨后隨煤柱增大位移量增大，但變化不太明顯。綜上所述，沿空掘巷煤柱寬度與巷道變形規(guī)律的關(guān)系為：煤柱在4m～5m時(shí)巷道的表面位移都較??；煤柱寬度為3m時(shí)雖然兩幫變形及底鼓量較小，但頂板下沉量卻較大；煤柱寬度大于5m后巷道的變形量都較大。

窄煤柱寬度的合理確定確定窄煤柱合理寬度的原則窄煤柱是沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，其穩(wěn)定性決定沿空掘巷的穩(wěn)定性，采用錨桿支護(hù)時(shí)窄煤柱寬度應(yīng)滿足以下幾個(gè)原則：(1)巷道處于應(yīng)力降低區(qū)。采空區(qū)側(cè)向支承壓力分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，當(dāng)巷道位于應(yīng)力降低區(qū)時(shí)，窄煤柱及巷道的穩(wěn)定性均較好，所以應(yīng)將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)。如圖4.7所示。由圖4.7可見，3102工作面回采后，沿工作面傾向距3102工作面9m時(shí)，垂直應(yīng)力達(dá)到最大，峰值為34.05MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到2.9左右。隨著距3102工作面距離的增大，垂直應(yīng)力逐漸降低并逐漸趨于穩(wěn)定，側(cè)向距離達(dá)到25m時(shí)，垂直應(yīng)力又恢復(fù)到原巖應(yīng)力。另外，從圖中還可以看出，距3102工作面6～15m這段范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力基本都在18MPa以上，而且應(yīng)力變化幅度也很明顯，又有前面的計(jì)算可知，留設(shè)6m～15m煤柱時(shí)，巷道無論水平還是垂直位移都很大，所以將距3102工作面的6m～15m范圍作為側(cè)向支承壓力的峰值影響區(qū)。根據(jù)前面所講的煤柱留設(shè)原則，留設(shè)煤柱時(shí)，應(yīng)使巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，避開垂直應(yīng)力峰值的影響范圍。所以，3102工作面運(yùn)輸平巷距3102工作面煤柱的寬度應(yīng)當(dāng)小于6m或者大于15m，同時(shí)為了減小煤柱損失，提高采出率，留設(shè)煤柱寬度應(yīng)小于6m。圖4.7垂直應(yīng)力分布示意圖(2)窄煤柱內(nèi)部有穩(wěn)定的區(qū)域。上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫ψ饔煤拖锏谰蜻M(jìn)影響，窄煤柱兩側(cè)出現(xiàn)破碎區(qū)不可避免，如果煤柱均為破碎區(qū)，其承載能力和穩(wěn)定性較小，而且錨桿在破碎煤體中的錨固力小，錨桿支護(hù)作用降低，巷道維護(hù)困難，因此，應(yīng)將錨桿錨固在上區(qū)段工作面回采產(chǎn)生的破碎區(qū)外的穩(wěn)定煤體中。留設(shè)3m煤柱時(shí)，煤柱破碎，巷道移近量較大，且垂直應(yīng)力峰值大于4m～5m煤柱時(shí)的垂直應(yīng)力峰值。合理的窄煤柱寬度綜合采用數(shù)值模擬及理論計(jì)算確定窄煤柱合理寬度為4m～5m，考慮掘進(jìn)超挖及上工作面回采后的片幫等，確定窄煤柱寬度為5m。

軌道巷沿空掘巷段錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀錨桿支護(hù)理論軌道巷沿空掘巷段錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)參數(shù)。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法包括4個(gè)基本部分：①地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，主要包括巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)和巖體力學(xué)評(píng)估；②初始設(shè)計(jì)，以數(shù)值模擬分析錨桿支護(hù)參數(shù)變化對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，確定經(jīng)濟(jì)、合理的錨桿支護(hù)參數(shù)，并輔以工程類比法和理論計(jì)算法；③按初始設(shè)計(jì)確定的方案進(jìn)行施工；④現(xiàn)場監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果修改、完善初始設(shè)計(jì)。數(shù)值模擬內(nèi)容根據(jù)3104工作面的實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，分析3102工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力對(duì)3104軌道巷沿空掘巷段的影響，建立沿煤層傾向的物理模型，見圖5.1，模型上邊界q為上邊界以上的上覆巖層對(duì)計(jì)算模型施加的重力，此處可以視為均布載荷。模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定。同時(shí)通過圖4.1數(shù)值模擬模型確定沿空掘巷段巷道的錨桿直徑、錨桿長度、錨桿間排距等合理的支護(hù)參數(shù)，首先在錨桿間、排距不變的情況下，分析不同錨桿長度對(duì)沿空掘巷段平巷表面位移的影響。其次在錨桿、錨固長度和錨桿間距不變的情況下，分析不同錨桿排距對(duì)沿空掘巷段平巷表面位移的影響，最后在錨桿、錨固長度和錨桿排距不變的情況下，分析不同錨桿間距對(duì)沿空掘巷段平巷表面位移的影響。根據(jù)模擬結(jié)果確定以下支護(hù)參數(shù)：(1)研究確定頂錨桿和幫錨桿長度。(2)研究確定合理的錨桿間排距。(3)確定3104軌道巷沿空掘巷段的支護(hù)參數(shù)。圖5.1沿煤層傾向的物理模型3104軌道巷沿空掘巷段3104軌道巷沿空掘巷段錨桿間排距取值見表5.1所示；錨桿長度取值范圍：2000mm、2200mm、2400mm、2600mm，錨索長度取7.3m，直徑17.8mm。具體比較方案見表5.1。表5.1錨桿參數(shù)比較方案表序號(hào)參數(shù)取值范圍1錨桿長度/m頂板錨桿2.0、2.2、2.4、2.6幫錨桿2.0、2.2、2.4、2.62錨桿排距/m0.7、0.8、0.93頂錨桿布置（左頂右錨桿根數(shù)）464、454、444、4344幫錨桿布置（左頂右錨桿根數(shù)）555、554、454、453、3535錨索根數(shù)2φ20mm的無縱筋左旋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿的主要力學(xué)性能指標(biāo)見表5.2。表5.2φ20mm的無縱筋左旋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿的主要力學(xué)性能螺紋鋼直徑/mm螺紋規(guī)格屈服載荷/KN破斷載荷/KN延伸率%20mmM2211518020.3軌道巷沿空掘巷段錨桿支護(hù)參數(shù)合理確定本小節(jié)主要分析錨桿直徑、錨桿長度、錨桿排距及錨桿間距的合理確定。(1)錨桿直徑的確定為有效地控制巷道圍巖的變形和離層，錨桿必須給圍巖可靠的支護(hù)阻力。當(dāng)錨桿材質(zhì)一定時(shí)，支護(hù)阻力的大小與桿體半徑的平方成正比，也就是說，直徑越大，支護(hù)阻力和錨桿支護(hù)系統(tǒng)剛度越大，對(duì)支護(hù)越有利。另一方面需考慮錨桿直徑與鉆孔孔徑的合理匹配，錨孔與錨桿直徑相差6~12mm，錨固力較大?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，鉆孔小，成本相應(yīng)低?？紤]施工機(jī)具因素，確定頂板錨桿直徑、兩幫錨桿直徑均為20mm，能夠滿足高錨固力、材料節(jié)約、施工方便的要求。(2)錨桿長度的確定①頂錨桿：在分析頂錨桿長度時(shí)，固定幫錨桿直徑20mm、長度為2400mm，頂錨桿直徑為20mm，錨桿支護(hù)間排距為800×800mm，也就是呈454布置圖5.2頂錨桿長度與巷道變形關(guān)系由圖5.2可見，巷道表面變形規(guī)律如下：隨著頂錨桿長度的加長，圍巖變形量逐漸減小，當(dāng)頂錨桿的長度從2.0m增加到2.4m，頂板下沉量減小了59mm，窄煤柱幫移近量減小58mm，實(shí)體煤幫移近量減小65mm，再增加錨桿長度到2.6m，巷道圍巖變形很小。因此，考慮控制巷道圍巖變形本設(shè)計(jì)確定頂板錨桿長度為2.4m。②幫錨桿：在分析幫錨桿長度時(shí)，固定頂錨桿直徑20mm、長度為2400mm，幫錨桿直徑為20mm，錨桿支護(hù)間排距為800×800mm，也就是呈454布置，通過改變幫圖5.3幫錨桿長度與巷道變形關(guān)系由圖5.3可見，巷道表面變形規(guī)律如下：隨著幫錨桿長度的加長，圍巖變形量逐漸減小，當(dāng)頂錨桿的長度從2.0m增加到2.4m，頂板下沉量減小了39mm，窄煤柱幫移近量減小70mm，實(shí)體煤幫移近量減小62mm，再增加錨桿長度到2.6m，巷道圍巖變形很小。因此，考慮控制巷道圍巖變形本設(shè)計(jì)確定幫錨桿長度為2.4(2)錨桿排距的確定由于錨桿整體布置強(qiáng)度比較大，因此頂錨桿和幫錨桿的排距均選擇相同，在兩幫均布置4根錨桿、頂板布置5根錨桿以及錨桿長度和直徑確定的情況下，分析不同錨桿排距對(duì)巷道變形的影響，錨桿排距與巷道圍巖變形的關(guān)系如圖5.4所示。由圖可見，隨著錨桿排距增大，圍巖變形量增大，當(dāng)錨桿排距從1000mm減小到800mm，頂板下沉量減小167mm，窄煤柱幫移近量減小150mm，實(shí)體煤幫移近量減小到120mm，有效地減小了圍巖變形，但當(dāng)錨桿的排距減小到700mm，圍巖變形基本不變。因此本設(shè)計(jì)中錨桿排距確定為800mm。圖5.4錨桿排距與巷道變形關(guān)系(3)頂錨桿間距的確定錨桿間距確定為800mm后，通過改變頂錨桿根數(shù)來分析不同頂錨桿間距對(duì)沿空掘巷段平巷表面位移的影響。兩幫錨桿均勻布置且固定，如454表示窄煤柱幫、頂板及實(shí)體煤幫分別布置4、5、4根錨桿，巷道圍巖變形與頂錨桿間距的關(guān)系見表5.3，頂錨桿間距與巷道圍巖變形關(guān)系如圖5.5所示。表5.3巷道圍巖變形與錨桿間距的關(guān)系錨桿布置方式頂板下沉量/mm左幫移近量/mm右?guī)鸵平?mm464156210180454181250200444250300230434348380300圖5.5頂錨桿間距與巷道變形關(guān)系由表5.3和圖5.5可見，通過減小頂錨桿間距，可顯著減小巷道圍巖變形量，當(dāng)頂錨桿從3根增加到5根，頂板下沉量減小171mm，窄煤柱幫移近量減小140mm，實(shí)體煤幫移近量減小100mm，再增加頂錨桿數(shù)量到6跟，巷道圍巖變形量變化不大，因此確定頂錨桿為5根，間距為800mm。(4)幫錨桿間距的確定錨桿排距確定為800mm且頂錨桿間距確定為800mm后，通過改變幫錨桿根數(shù)來分析不同幫錨桿間距對(duì)沿空掘巷段平巷表面位移的影響。因窄煤柱幫圍巖位移比較大，因此兩幫錨桿布置需要考慮非均勻布置，巷道圍巖變形與幫錨桿間距的關(guān)系見表5.4，頂錨桿間距與巷道圍巖變形關(guān)系如圖5.6所示。表5.4巷道圍巖變形與錨桿間距的關(guān)系錨桿布置方式頂板下沉量/mm左幫移近量/mm右?guī)鸵平?mm555123200160554132210170454181250200453352390315353400440380圖5.6幫錨桿布置與巷道變形關(guān)系由表5.4和圖5.6可見，通過減小幫錨桿間距，可顯著減小巷道圍巖變形量，當(dāng)幫錨桿布置從353變?yōu)?54，頂板下沉量減小229mm，窄煤柱幫移近量減小200mm，實(shí)體煤幫移近量減小180mm，再減小幫錨桿間距到555，巷道圍巖變形量變化不大，因此確定幫錨桿布置為554，窄煤柱5根錨桿，間距700mm，實(shí)體煤幫4根錨桿，間距800mm。(5)錨索支護(hù)由于小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索錨固深度大，將下部不穩(wěn)定煤層或巖層錨固在上部穩(wěn)定的巖層中，可靠性較大；可施加較大的預(yù)緊力，主動(dòng)支護(hù)圍巖，因而是錨桿支護(hù)技術(shù)中一種可靠有效的加強(qiáng)支護(hù)手段。在大斷面、地質(zhì)構(gòu)造破壞地段、頂板軟弱且較厚、高應(yīng)等困難和復(fù)雜的錨桿支護(hù)巷道中，可使用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，擴(kuò)大錨桿支護(hù)使用范圍，充分發(fā)揮錨桿支護(hù)經(jīng)濟(jì)、快速、安全可靠的優(yōu)越性。表5.5錨索與巷道圍巖變形關(guān)系錨索頂板下沉量/mm底鼓量/mm左幫移近量/mm右?guī)鸵平?mm無錨索250160360246一根錨索210138320228兩根錨索171120240200通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，在窄煤柱寬度5.0m，錨桿排距為800mm，頂板、實(shí)體煤幫及窄煤柱側(cè)幫各布置5、4、5根直徑φ20mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，每隔三排錨桿即2.4m安裝兩套錨索比不安裝錨索和安裝一套錨索時(shí)，巷道變形量明顯下降，考慮該巷道左側(cè)為采空區(qū)，對(duì)巷道維護(hù)要求高，確定每隔2.4m安裝兩套預(yù)緊力100～120KN的錨索，錨索間距2000mm，排距2400mm，安裝錨索與巷道圍巖變形關(guān)系見表5.5。(6)支護(hù)參數(shù)確定錨桿材質(zhì)頂板和兩幫錨桿選擇材質(zhì)為20MnSi的左旋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿，其屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度大，控制圍巖變形效果好，桿體表面具有凹凸紋理，能夠保證錨桿與錨固劑之間較大的粘結(jié)力。錨桿直徑頂錨桿和幫錨桿直徑均為20mm。錨桿長度錨桿長度是錨桿支護(hù)參數(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)之一，就巷道支護(hù)整體結(jié)構(gòu)而言，錨桿長度太短，在巷道圍巖內(nèi)形成的加固厚度較小，不利于巷道頂板的穩(wěn)定。依據(jù)地質(zhì)條件以及巷道斷面尺寸和數(shù)值模擬確定：皮帶巷頂板錨桿長度為2400mm，兩幫錨桿長度為2400mm。錨桿間排距錨桿支護(hù)間排距是錨桿支護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)巷道支護(hù)整體結(jié)構(gòu)而言，間排距過大，支護(hù)強(qiáng)度變小，甚至不能形成連續(xù)的承載結(jié)構(gòu)，難以有效控制巷道圍巖變形。根據(jù)地質(zhì)條件和數(shù)值模擬確定頂錨桿和幫錨桿排距均為800mm，頂錨桿間距850mm，窄煤柱幫錨桿間距為700mm，實(shí)體煤幫錨桿間距為800mm。預(yù)緊力錨桿預(yù)緊力對(duì)控制圍巖變形有很重要的作用。根據(jù)我們研究，認(rèn)為錨桿預(yù)緊力的合理最小值為20～30kN。當(dāng)預(yù)緊力小于此范圍時(shí)，圍巖變形量有較大增加，而預(yù)緊力大于此值時(shí)，對(duì)控制巷道圍巖變形的作用不明顯。因此，確定錨桿預(yù)緊力大于20kN，錨桿螺母上緊扭矩大于200N·m。錨固劑及錨固長度錨固劑采用樹脂藥卷，凝結(jié)速度為超快、中速。頂錨桿采用一支雙速2360和一支Z2360，兩幫錨桿采用一支CK2335一支和一支Z2360。錨桿支護(hù)附件包括金屬網(wǎng)、梯子梁、托盤等，頂板、兩幫配套使用金屬網(wǎng)，梯子梁采用直徑14mm的圓鋼焊接，所有托盤使用鋼托盤，托盤厚度10mm，金屬網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)間距不大于20mm。錨索支護(hù)參數(shù)：錨索長度7300mm，直徑17.8mm，間距2000mm，排距2400mm，錨索距巷道中線距離1000mm，布置在兩排錨桿中間，每根錨索采用CK2335一支、Z2360二支樹脂藥卷錨固，錨固長度為1500mm。每根錨索采用一塊400mm長的18號(hào)槽鋼，一塊規(guī)格為100×100×10mm的鋼板，鎖具一套。間隔3排錨桿打一排錨索，每排錨索2根。具體巷道支護(hù)圖見圖5.7。梯子梁加工見圖5.8。圖5.73104軌道巷沿空掘巷段錨桿支護(hù)布置圖（頂板）（窄煤柱側(cè)幫）（實(shí)體煤側(cè)幫）圖5.8鋼筋梯子梁加工圖華晟榮錨桿支護(hù)材料匯總見表6.6。表6.63104工作面軌道巷錨桿錨索支護(hù)材料匯總（以每排錨桿計(jì)算）序號(hào)名稱規(guī)格用量要求1頂錨桿Φ20L2左旋螺紋鋼錨桿5套破斷力≥180kN延伸率≥18%2幫錨桿Φ20L2左旋螺紋鋼錨桿9套破斷力≥180kN延伸率≥18%3錨索Φ17.8L2/3套頂板使用4鋼筋梯子梁Φ14圓鋼1套頂板使用2套兩幫使用5樹脂藥卷CK2335Z2360雙速23609支14支5支頂板、兩幫使用未計(jì)入錨索藥卷使用量6金屬網(wǎng)八號(hào)鐵絲連接兩幫使用3.2頂板使用施工要求及材料要求(1)巷道開挖后，先打頂板錨桿，后打幫錨桿，錨索支護(hù)滯后迎頭3～5m。(2)頂板錨桿錨固力大于100kN；兩幫錨桿錨固力大于60kN。(3)錨桿外露長度大于20mm、小于60mm。(4)錨桿孔深少于錨桿長度50mm，3204軌道巷頂錨桿長度為2400mm，幫錨桿長度為2400mm，頂錨桿和幫錨桿孔深要嚴(yán)格控制在23(5)錨桿攪拌藥卷時(shí)，要將錨桿推至孔底。錨桿滾絲外露長度控制在20~50mm之間。(6)做到金屬網(wǎng)