42108工作面回風順槽錨桿（索）支護設計分析

摘 要：以涼水井煤礦42108工作面回風順槽為工程依托，進行巷道錨桿（索）支護設計，并用FLAC3D進行數值模擬分析，對支護前及支護后的圍巖移動及應力分布等圍巖穩定性指標進行對比分析，結果顯示采用文章提出的錨桿（索）支護方式能夠有效減少圍巖移動量，避免應力分布過分集中，結果顯示該支護方案能夠有效保持圍巖穩定性，為相似工程提供了理論及實踐依據。

關鍵詞：錨桿支護；模擬分析；FLAC3D；冒落拱理論

引言

在工作面回采過程中，巷道在采動影響下，圍巖受到明顯擾動，使得巷道產生明顯變形量，甚至造成圍巖破壞，大大降低圍巖穩定性[1-3]。錨桿（索）支護方式具有工藝簡單、安裝速度快、效率高、勞動強度低、成本低等優點，并且可以有效提高巷道圍巖穩定性，從而能夠充分保障巷道安全性，是應用最為普遍和成熟的巷道支護技術[4]。

涼水井煤礦地處榆神礦區二期規劃區的西北部，礦井北接神府礦區，南鄰西包鐵路，西與錦界煤礦毗鄰，年產量400萬噸。涼水井煤礦421盤區的42108工作面寬度240m，走向長度為4045m，開采的4-2煤平均厚度約為3m，采用綜合機械化采煤方法。文章中作者根據42108工作面工程地質條件進行巷道錨桿支護設計，并應用FLAC3D對支護前及支護后的圍巖穩定性進行分析，為相似工程提供了理論及實踐依據。

1 工程概況

涼水井煤礦42108回風順槽斷面設計主要為矩形，巷道平均埋深190m。該工作面回風順槽頂板為層狀復合頂板，煤層上巖體為軟硬交替層狀巖石，其中有少量夾矸，夾矸平均厚度為0.15m。巷道頂板直接頂為泥巖，老頂為砂巖，老頂單軸抗壓強度Rc=23MPa，抗拉強度Rt=23MPa。老頂巖性為上部粗砂巖，下部細砂巖，巖體中含石英，長石及云母。直接頂泥巖平均為1.9m，含植物化石及黃鐵礦結核。直接底為粉砂巖，平均厚為1.5m，灰色、灰黑色，硬度中等，夾石英砂巖薄層。老底為粉砂巖加石英砂巖，平均厚度為11.43m，灰色，黑灰色，粉砂巖、石英砂巖互層，硬度中等，為石英砂巖時硬度較硬，含植物化石及含黃鐵礦結核。巷道頂板各層巖層的物理力學性質如表1、2所示。

表1 涼水井煤礦42108工作面煤層頂底板情況

表2 巷道頂板各巖層的物理力學參數表

2 錨桿（索）支護設計

2.1 冒落拱高度計算

主要依據非彈性區理論和組合拱理論進行設計計算[5-6]

巷道寬B=5.5m，半跨a=2.75m，高h=3.5m，等效圓半徑

則不支護時煤巷內部最大非彈性區半徑R0為：

式中：P為累計地應力19023=1.37MPa.

則兩幫非彈性區深度：a1=2.38-1.75=0.63m，

頂部非彈性區深度：

a2=2.38-3.26/2=1.63m

冒落拱高度：

b=■=1.65m，

2.2 頂錨桿參數設計

頂板采用？椎18的左旋螺紋鋼錨桿，屈服強度為65kN。選取錨桿排距為 ，頂板冒落拱內錨桿承受煤體的重量：

G=？酌×D×S

式中：？酌為頂板巖體容重；S為冒落拱包絡線內巖體截面積；D為錨桿排距。

代入數據，考慮動壓影響系數得：

G=k1×？酌×D×S

式中：k1為動壓影響系數。

取動壓系數為2.0，則：

G=0.0184×2.0×1×3.3×1.8=218.6kN

則每排錨桿的根數n為：

n=■=3.36

因此，選取錨桿根數為n=4，則錨桿間排距為900×1000mm。

錨固長度：

La=■

式中：P-錨桿設計拉拔荷載；K-安全系數；D-鉆孔直徑；？子r-錨桿錨固端與巖體間的粘結力。

則錨固長度為：

單根錨桿錨固時所需錨固劑的根數為：

式中： la-每根錨固劑的長度。

2.3 幫錨桿參數設計

根據理論計算結果對涼水井煤礦42108回風順槽幫部錨桿的支護參數選取方案為：兩幫各三根錨桿，？椎18×1800mm型左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900×1000mm，設計錨固長度1200mm （注：1根長600mm）。

2.4 錨索參數設計

錨索的作用主要是根據懸吊理論將錨桿所錨固的組合梁懸吊于頂板深部較穩定巖層。頂錨桿長度1.62m，設錨索承重范圍超出錨桿0.25m，錨索排距為2.0m，則錨索所承受的上部巖體重量為：

G=？酌·S·D=0.0184×（3.3+0.25×2）×1.8×2.0=347.8kN

直徑？椎17.8mm鋼鉸線，屈服強度為280kN，則每排錨桿的根數n為：

n=■=1.242

則每排選用2根，其錨固長度：

取錨固長度2.0m，頂索長度由下式計算：

L索=La+Lb+Lc

式中：Lc-錨索外露長度，取0.3m；Lb-錨索的自由段長度，取3.2m。

根據地質條件，直接頂最大厚度為3.8m。老頂作為錨索的錨固點，因此，頂板錨索長度為：

L索=2.0+3.8+0.3=6.1m

綜上所述，對42108回風順槽理論計算所得錨桿（索）支護參數優化方案如下：（1）錨桿。頂部4根錨桿，？椎18×2000mm型左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900×1000mm，錨固長度1200mm（注：單根錨固劑長600mm），靠近兩幫的兩根錨桿與水平呈45°進行錨固，預緊力43KN；巷道兩幫各3根錨桿，？椎18×1800mm型左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900×1000mm，錨固長度1200mm（注：單根錨固劑長600mm），預緊力為30KN。（2）錨索。取錨索長度為6.5m，錨固長度為1.8m（注：單根錨固劑長600mm），錨索間排距為1.6×3m，預緊力為100KN。涼水井煤礦42108回風順槽錨桿（索）支護參數優化如圖1所示。endprint

圖1 42108回風順槽支護設計圖

3 支護效果數值模擬分析

針對涼水井煤礦42108工作面回風順槽的地質采礦條件，根據采礦工程問題特點，利用FLAC3D模擬軟件，建立了合理的數值分析模型分別對支護前及支護后的巷道圍巖變形及應力分布進行模擬分析[7-8]。模擬結果如圖2-圖7所示。

圖2 無支護豎向位移分布云圖

圖3 無支護橫向位移分布云圖

圖4 無支護豎向應力分布云圖

圖5 支護條件下豎向位移分布云圖

圖6 支護條件下橫向位移分布云圖

圖7 支護條件下豎向應力分布云圖

通過數值模擬分析可以得出，巷道在沒有采取支護措施時，頂板下沉量達到了35.5mm，采取支護措施后頂板下沉量18.3mm，減少了48.5%。而兩幫位移量減少了50.6%；巷道在未采取支護措施時豎向應力分布過于集中，不利于保持圍巖穩定，采取支護措施后頂板中豎向最大應力為0.67-1MPa，拋物線分布，在支護作用下，煤柱應力在兩幫煤柱中分布范圍加大，最大應力8.35MPa，避免了因應力集中而引起煤體破壞。根據巷道在優化前后支護條件下數值模擬結果的對比分析可以看出42108工作面回風順槽在支護條件下巷道變形明顯減小，而且有效優化了應力分布，說明采用新的支護參數有效的維護了巷道的穩定性，達到了預期目標。

4 結束語

文章以涼水井煤礦42108工作面回風順槽為背景，以冒落拱理論為基礎，利用相關理論進行巷道錨桿（索）支護設計，并用FLAC3D進行數值模擬分析，對支護前及支護后的圍巖移動及應力分布等圍巖穩定性指標進行對比分析，結果顯示采用文章提出的錨桿（索）支護方式能夠有效減少圍巖移動量，避免應力分布過分集中，從而能夠有效保持圍巖穩定性。

參考文獻

[1]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業出版社，1991.

[2]曹秀龍.煤礦巷道錨桿支護質量的影響因素分析[J].能源與節能，2014（04）：54-55+80.

[3]陳德良.礦建工程巷道掘進錨桿支護技術分析[J].技術與市場，2014（04）：103+105.

[4]張蕾，張志明，蔡健.巨厚煤頂巷道錨桿支護參數優化[J]. 煤礦安全，2014（04）：183-186.

[5]黃健.關于深井巷道圍巖控制與支護技術的探討[J].科技創業家，2014（07）：104.

[6]孫長春.小紀汗煤礦首采工作面錨桿支護設計與應用[J].煤炭與化工，2014（01）：93-96.

[7]康紅普，林健.煤巷錨桿支護成套技術在潞安礦區的應用[J].煤炭學報，2001，26（增）：106-110.

[8]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國利水電出版社，2009.

作者簡介：王磊（1986-），男，陜西富平人，助理工程師，現任神木匯森涼水井礦業有限責任公司地質測量部經理，從事煤礦地質測量管理工作。endprint

圖1 42108回風順槽支護設計圖

3 支護效果數值模擬分析

針對涼水井煤礦42108工作面回風順槽的地質采礦條件，根據采礦工程問題特點，利用FLAC3D模擬軟件，建立了合理的數值分析模型分別對支護前及支護后的巷道圍巖變形及應力分布進行模擬分析[7-8]。模擬結果如圖2-圖7所示。

圖2 無支護豎向位移分布云圖

圖3 無支護橫向位移分布云圖

圖4 無支護豎向應力分布云圖

圖5 支護條件下豎向位移分布云圖

圖6 支護條件下橫向位移分布云圖

圖7 支護條件下豎向應力分布云圖

通過數值模擬分析可以得出，巷道在沒有采取支護措施時，頂板下沉量達到了35.5mm，采取支護措施后頂板下沉量18.3mm，減少了48.5%。而兩幫位移量減少了50.6%；巷道在未采取支護措施時豎向應力分布過于集中，不利于保持圍巖穩定，采取支護措施后頂板中豎向最大應力為0.67-1MPa，拋物線分布，在支護作用下，煤柱應力在兩幫煤柱中分布范圍加大，最大應力8.35MPa，避免了因應力集中而引起煤體破壞。根據巷道在優化前后支護條件下數值模擬結果的對比分析可以看出42108工作面回風順槽在支護條件下巷道變形明顯減小，而且有效優化了應力分布，說明采用新的支護參數有效的維護了巷道的穩定性，達到了預期目標。

4 結束語

文章以涼水井煤礦42108工作面回風順槽為背景，以冒落拱理論為基礎，利用相關理論進行巷道錨桿（索）支護設計，并用FLAC3D進行數值模擬分析，對支護前及支護后的圍巖移動及應力分布等圍巖穩定性指標進行對比分析，結果顯示采用文章提出的錨桿（索）支護方式能夠有效減少圍巖移動量，避免應力分布過分集中，從而能夠有效保持圍巖穩定性。

參考文獻

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[7]康紅普，林健.煤巷錨桿支護成套技術在潞安礦區的應用[J].煤炭學報，2001，26（增）：106-110.

[8]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國利水電出版社，2009.

作者簡介：王磊（1986-），男，陜西富平人，助理工程師，現任神木匯森涼水井礦業有限責任公司地質測量部經理，從事煤礦地質測量管理工作。endprint

圖1 42108回風順槽支護設計圖

3 支護效果數值模擬分析

針對涼水井煤礦42108工作面回風順槽的地質采礦條件，根據采礦工程問題特點，利用FLAC3D模擬軟件，建立了合理的數值分析模型分別對支護前及支護后的巷道圍巖變形及應力分布進行模擬分析[7-8]。模擬結果如圖2-圖7所示。

圖2 無支護豎向位移分布云圖

圖3 無支護橫向位移分布云圖

圖4 無支護豎向應力分布云圖

圖5 支護條件下豎向位移分布云圖

圖6 支護條件下橫向位移分布云圖

圖7 支護條件下豎向應力分布云圖

通過數值模擬分析可以得出，巷道在沒有采取支護措施時，頂板下沉量達到了35.5mm，采取支護措施后頂板下沉量18.3mm，減少了48.5%。而兩幫位移量減少了50.6%；巷道在未采取支護措施時豎向應力分布過于集中，不利于保持圍巖穩定，采取支護措施后頂板中豎向最大應力為0.67-1MPa，拋物線分布，在支護作用下，煤柱應力在兩幫煤柱中分布范圍加大，最大應力8.35MPa，避免了因應力集中而引起煤體破壞。根據巷道在優化前后支護條件下數值模擬結果的對比分析可以看出42108工作面回風順槽在支護條件下巷道變形明顯減小，而且有效優化了應力分布，說明采用新的支護參數有效的維護了巷道的穩定性，達到了預期目標。

4 結束語

文章以涼水井煤礦42108工作面回風順槽為背景，以冒落拱理論為基礎，利用相關理論進行巷道錨桿（索）支護設計，并用FLAC3D進行數值模擬分析，對支護前及支護后的圍巖移動及應力分布等圍巖穩定性指標進行對比分析，結果顯示采用文章提出的錨桿（索）支護方式能夠有效減少圍巖移動量，避免應力分布過分集中，從而能夠有效保持圍巖穩定性。

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[3]陳德良.礦建工程巷道掘進錨桿支護技術分析[J].技術與市場，2014（04）：103+105.

[4]張蕾，張志明，蔡健.巨厚煤頂巷道錨桿支護參數優化[J]. 煤礦安全，2014（04）：183-186.

[5]黃健.關于深井巷道圍巖控制與支護技術的探討[J].科技創業家，2014（07）：104.

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[7]康紅普，林健.煤巷錨桿支護成套技術在潞安礦區的應用[J].煤炭學報，2001，26（增）：106-110.

[8]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[M].北京：中國利水電出版社，2009.

作者簡介：王磊（1986-），男，陜西富平人，助理工程師，現任神木匯森涼水井礦業有限責任公司地質測量部經理，從事煤礦地質測量管理工作。endprint