不同煤層傾角錨桿支護圍巖位移變化規律研究

孟海東 崔小晉 劉占寧

(內蒙古科技大學礦業研究院，內蒙古自治區包頭市，014000)

錨桿支護可以有效提高礦井圍巖的穩定性，為井下作業提供良好的工作條件，極大減少了頂板坍塌等事故，為煤礦的安全生產做出了重要貢獻。

專家學者在錨桿支護方面的研究取得了大量的成果。陳文強等通過理論計算結構面的抗剪強度大小規律并進行實驗驗證，結果表明，隨著錨桿傾角的增大，錨桿軸向力發揮的抗剪強度在降低，橫向剪切力發揮的抗剪強度在增大；陳麗俊等建立了鎖腳錨桿—鋼拱架聯合承載力學模型，并對其橫向效應和軸向效應進行分析，討論了打設角度對鎖腳錨桿內力和變形的影響，分析了不同參數對拱頂下沉的影響規律。

從上述研究成果中可以看出，學者對錨桿的材料、結構、長度、間排距和預緊力做了比較深入的研究，對圍巖彈性模量和剪切剛度，圍巖塑性區和彈性區以及離層圍巖對錨桿的影響也做了較多的研究，但對錨桿角度的優化以及變化規律研究的還比較少。為達到最好的支護效果，錨桿支護角度需要也隨煤層傾角的變化而改變，本文將對不同煤層傾角下頂錨桿的支護角進行研究，希望找出頂錨桿支護角度變化時，頂板位移、兩幫位移以及底鼓之間的聯系。

1 數值計算模型的建立

本文選用FLAC3D軟件進行模型的建立與支護模擬研究，以棋盤井煤礦0903回采巷道的地質條件為工程背景。0903工作面煤層埋深400 m，煤層厚度約3 m，煤層上部為細砂巖和泥質砂巖，下部為砂質泥巖，巷道左側為實體煤，右側為采空區。模型頂部為自由邊界，側面和底部施加約束進行固定，上覆巖層自重應力取10 MPa，采空區施加的壓應力取22 MPa，模型尺寸為50 m×30 m×20 m，巷道尺寸為5 m×3 m(寬×高)，模型先加載后開挖，破壞準則為摩爾—庫倫彈塑性屈服準則。各巖層巖石力學參數見表1。

表1 各巖層巖石力學參數

圖1 錨桿支護數值模擬模型

錨桿支護數值模擬模型如圖1所示，從下到上依次為砂質泥巖、煤、泥質砂巖和細砂巖。

根據巷道三位一體的原則，頂板、兩幫和底板相互影響，為了達到最好的支護效果，頂板、兩幫和底板均進行錨桿支護，并且在頂板進行錨桿錨索聯合支護。

本文研究的位移并非基于某個點的位移值，而是各種位移的最大值，即圍巖表面的位移量，例如Z方向頂板位移的最大值在頂板表面，X方向左幫位移的最大值在左幫表面。

2 不同煤層傾角下錨桿支護圍巖位移變化規律研究

2.1 圍巖位移規律研究

煤層傾角為10°時頂板和右幫位移變化如圖2所示。由圖2可知，Z方向頂板位移在90°～100°的錨桿支護角度區間呈增長趨勢。頂板位移和右幫位移無相關性,發生這種現象的原因可能在于塑性區和破碎區比例的變化。

圖2 煤層傾角為10°時頂板和右幫位移變化

煤層傾角為10°時左幫和右幫位移變化如圖3所示。由圖3可知，左幫位移和右幫位移具有良好的反向同步性。

圖3 煤層傾角為10°時左幫和右幫位移變化

煤層傾角為10°時頂板位移和底鼓量變化如圖4所示。由圖4可知，頂板位移和底鼓具有較弱的同步性。

圖4 煤層傾角為10°時頂板位移和底鼓量變化

煤層傾角/(°)頂板和右幫左幫和右幫頂板和底鼓10無關反向同步同步11無關無關反向同步12無關同步同步13同步反向同步反向同步14反向同步無關無關15反向同步反向同步反向同步16同步無關無關17同步同步無關18同步無關反向同步

圍巖位移規律總結見表2。分析表2的結果可知，煤層傾角為12°～16°時，左幫位移和右幫位移的同步性與頂板位移和底鼓的同步性相同，也就是說當左幫位移和右幫位移同步增加或減小時，頂板位移和底鼓也在同步增加或較小，當左幫位移和右幫位移反向同步增加或減小時，頂板位移和底鼓也在反向同步增加或較小。

2.2 位移標準差規律研究

標準差反映一組數據的離散程度。位移標準差則反映了頂錨桿支護角度變化下圍巖的穩定程度，標準差越小則代表圍巖越穩定。

圖5 不同煤層傾角下位移標準差分布

不同煤層傾角下位移標準差分布如圖5所示。由圖5可知，煤層傾角為10°～18°時，左幫位移標準差和右幫位移標準差具有很強的同步性，說明煤層傾角的變化對兩幫穩定性的影響是相同的。發生這種現象的原因可能與塑性區和彈性區的比例變化率有關。煤層傾角為10°～14°時，頂板位移標準差和底鼓標準差具有很強的同步性，說明煤層傾角的變化對頂板和底鼓穩定性的影響是相同的，當煤層傾角的增加使頂板更加穩定時，煤層傾角的增加也會使底鼓更加穩定。煤層傾角為14°～18°時，頂板位移標準差和底鼓標準差具有很強的反向同步性，說明煤層傾角的變化對頂板和底鼓穩定性的影響是相反的，當煤層傾角的增加使頂板更加穩定時，煤層傾角的增加則會使底鼓更加不穩定。

2.3 位移最小時的支護角規律研究

當頂板位移最小時，頂板錨桿的支護角度稱為頂板位移的最佳支護角。當底鼓最小時，頂板錨桿的支護角度稱為底鼓的最佳支護角。當左幫位移最小時，頂板錨桿的支護角度稱為左幫位移的最佳支護角。當右幫位移最小時，頂板錨桿的支護角度稱為右幫位移的最佳支護角。

不同煤層傾角下位移最小時的支護角變化如圖6所示。

圖6 不同煤層傾角下位移最小時的支護角變化

由圖6可知，煤層傾角為10°～18°時，頂板位移和底鼓的最佳支護角具有良好的反向同步性，當由于煤層傾角的變化使得頂板位移的最佳支護角增加時，底鼓的最佳支護角減小；當由于煤層傾角的變化使得頂板位移的最佳支護角減小時，底鼓的最佳支護角會增大。發生這種現象的原因與塑性區和破碎區的比例有關。煤層傾角為12°～15°時，左幫位移和右幫位移的最佳支護角具有很強的同步性，當由于煤層傾角的變化使左幫位移的最佳支護角增加時，右幫位移的最佳支護角也會增加；當由于煤層傾角的變化使的左幫位移的最佳支護角減小時，右幫位移的最佳支護角也會減小。煤層傾角為10°～12°和15°～18°時，左幫位移和右幫位移的最佳支護角則具有良好的反向同步性，當由于煤層傾角的變化使得左幫位移的最佳支護角增加時，右幫位移的最佳支護角會減小；當由于煤層傾角的變化使得左幫位移的最佳支護角減小時，右幫位移的最佳支護角會增大。

不同煤層傾角下總位移最小時的支護角見表3。由表3可知，最佳支護角在91°～93°區間的煤層傾角有5個，按總位移從小到大排列可知，91°～93°是最佳支護角出現的最佳區間。

表3 不同煤層傾角下總位移最小時的支護角

3 結論

本文采用FLAC3D軟件模擬分析不同煤層傾角錨桿支護圍巖位移相關性規律如下：

(1)煤層傾角為10°～18°時，頂板位移和右幫位移、左幫位移和右幫位移、頂板位移和底鼓的關系均比較復雜，沒有明顯的相關關系。煤層傾角為12°～16°時，左幫位移和右幫位移的同步性與頂板位移和底鼓的同步性是相同的。

(2)煤層傾角為10°～18°時，煤層傾角的變化對兩幫穩定性的影響是相同的；煤層傾角為10°～14°時，煤層傾角的變化對頂板和底鼓穩定性的影響是相同的；煤層傾角為14°～18°時，煤層傾角的變化對頂板和底鼓穩定性的影響是相反的。

(3)煤層傾角為10°～18°時，頂板位移和底鼓的最佳支護角具有良好的反向同步性；煤層傾角為12°～15°時，左幫位移和右幫位移的最佳支護角具有很強的同步性；煤層傾角為10°～12°和15°～18°時，左幫位移和右幫位移的最佳支護角具有良好的反向同步性。

(4)總體而言，煤層傾角為10°～18°時，91°～93°的頂板錨桿支護角度是最佳支護角出現的最佳區間。

[1] 陳文強，賈志欣，趙宇飛等. 剪切過程中錨桿的軸向和橫向作用分析 [J]. 巖土力學, 2015(1)

[2] 陳麗俊，張運良，馬震岳等. 軟巖隧洞鎖腳錨桿-鋼拱架聯合承載分析 [J]. 巖石力學與工程學報, 2015(1)