井下绞车房锚网索喷联合支护设计

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摘 要：本文针对大型绞车房的实际围岩条件，以大松动圈组合拱支护理论和锚网索喷耦合支护理论为主要依据，设计了大型绞车房大松动圈组合拱锚网索喷耦合支护，通过一年的硐室变形观测证明支护稳定性良好，为相似围岩条件下的大型巷道硐室支护设计提供了宝贵经验。

关键词：井巷工程；大型绞车房；大松动圈；组合拱；锚网索喷；耦合支护

1.工程概况

济宁矿业集团有限公司霄云煤矿位于山东省济宁市金乡县境内，设计生产能力90万吨/a，服务年限40.9年。霄云煤矿一采区上部车场绞车硐室设计安装滚筒直径为3.0m的大型提升绞车，根据设备安装和使用需要，绞车硐室净尺寸为长×宽×高=12×9×6m，绞车基础净尺寸为长×宽×深=5×3.7×3m，其净断面达50m2。

根据矿井开拓布局设计，绞车房布置在-509m水平3煤顶板灰色细砂岩中，岩石硬度系数为f=4～6，硐室围岩中等稳定，在硐室的右侧肩窝位置处有一条落差为3m的断层使硐室右侧肩窝以下为3煤，煤厚2m，煤的硬度系数为f=2，煤层底板为灰黑色粉砂岩，其硬度系数为f=4～6，硐室整体地质条件为中等偏复杂。

2.支护参数的确定

根据大松动圈组合拱支护机理可知，巷道断面最好的结构形式是拱形断面，结合现场实际需要，我们选用了大拱小墙的直墙半圆拱形断面。经对多种支护形式比较后，发现锚网喷支护具有较高的承载能力和很好的可缩性，并能进行全方位支护和及时封闭围岩，完全满足大断面软岩支护的要求，因此针对绞车房大断面选择了锚网喷联合支护形式。

2.1支护参数的计算

2.1.1锚杆参数的计算

按组合拱理论计算锚杆有效长度l为

式中，b——组合拱厚度，取b=1.3m；

α——锚杆对破裂岩石的控制角，一般取43°，近似取α=45°；

a——锚杆间、排距，取a=0.8m。

根据设计的有效长度，确定锚杆的全长应为L=l+0.1=2.2m，采用1.1的系数，选用了2.5m长全螺纹钢筋锚杆。

为获得全方位支护的组合拱结构体，锚杆应沿巷道全断面封闭布置。

2.1.2喷层厚度和钢筋网的确定

在锚网喷支护中，锚杆是支护的主体构件，钢筋网和喷层只起局部支护作用，喷层能及时封闭围岩，防止围岩风化潮解；喷层加设钢筋网是为了提高喷层的整体抗弯和抗大变形能力，更有效地阻止锚杆间的岩块鼓出或掉落，出现大的不均匀变形，维护组合拱的厚度。

根据软岩巷道地压大、锚喷变形大、围岩应力调整期长的特点，锚喷支护必须采用二次支护的施工工艺。

一次支护具有可缩性，它可以收缩变形释放地压，在围岩应力调整期间，喷层产生裂缝，局部开裂脱皮，钢筋弯曲变形，甚至局部露出围岩，都是允许的正常现象。二次支护是在围岩应力稳定后进行的，喷层总厚度为150mm，初喷70mm，复喷80mm。

根据我矿其它较大断面硐室经验，钢筋网可选用由ф6圆钢点焊加工成的金属网片，其方格为100×100mm，每片钢筋网的规格为2000×1000mm。

2.2支护承载能力估算

组合拱的承载能力与组合拱厚度、围岩强度、锚杆应力等因素有关，锚杆锚固力越大，破裂围岩残余强度的提高幅度就越大。绞车房断面形式可近似于缺圆，按圆形巷道组合拱支护能力，可以用拉麦公式近似估算：

式中 p——组合拱径向承载能力，MPa；

σz——破碎岩体锚固体强度。一般取原岩强度的70%～80%，σz=（0.7～0.8）Ra，MPa；

Ra——原岩单轴抗压强度，取3煤顶板粉砂岩单轴抗压强度Ra=56.71MPa；

b——组合拱厚度，m；

Rb——组合拱内半径，Rb=Ro+a/2=4.9+0.4=5.3m；

a——锚杆间排距，a=0.8m；

Ro——巷道净半径，Ro=4.9m。

单位长度组合拱的承载能力q为：

完全满足设计需要的承载力。

3.锚网喷+锚索耦合支护

以上主要从大松动圈组合拱的角度分析了绞车房的支护设计，但因绞车房掘进断面积达51m2，加之巷道右帮为煤层，地质条件较为复杂，除考虑围岩应力外还应考虑不确定的构造应力，为提高支护体的可靠性，在确保支护强度的前提下，确保硐室施工完成后不再发生变形，使硐室工程质量达到优良，在按组合拱理论确定了锚网喷支护参数的情况下，又依据锚网喷+锚索耦合支护理论，增加了锚索支护。

3.1锚索支护参数的选取

在锚网喷+锚索耦合支护理论的指导下，结合我矿大断面巷道支护设计经验，设计采用直径为17.8mm的钢绞线锚索，长度为6500mm，锚索间排距为2000×1800mm，每棵锚索采用三支MSK2550树脂锚固剂。为进一步增强锚索的支护效果，设计要求每两棵锚索为一组共用一根3m长锚索梁并绞车房纵向布置，锚索梁即为3m长12#槽钢加工而成，根据锚索间距在槽钢两端设置锚索孔。

4.总结比较

经过观测，自2012年5月绞车房竣工至今，硐室顶帮均未出现明显的变形或裂纹，这充分证明了支护的有效性。

在当前煤炭经济走低的大形势下，在确保安全、质量的前提下，以更少的投入来实现系统的正常运作即是最大的节约，尤其是在工程设计上的节约是巨大的。绞车房采用锚网索喷支护设计取代双层钢筋混凝土砌碹支护设计，在材料消耗上至少节省了6吨钢筋、300m3C30混凝土，在施工工艺上省去了脚手架工程、钢筋工程、模板工程和混凝土浇筑工程，在工期上至少提前一个月完工，节约投入近25万元，其经济效益是十分显著的。

参考文献：

[1]董方庭等.巷道围岩松动圈支护理论[J].煤炭学报.1994，19（1）：21-32.

[2]郭志宏等.巷道支护的围岩松动圈分类方法[J].建井技术.1994（4、5）：10-13.