厚煤層切眼不同支護參數數值模擬研究

陳 龍

（山西焦煤集團公司 東曲煤礦，山西 太原 030200）

巷道的穩定性制約著礦井生產的效率，錨桿支護由于其低成本和高安全性的優點廣泛應用于全國各地礦井。不同于以往的被動支護，錨桿支護技術成本較低，施工方便，是主動支護技術；錨索可以強化錨桿的支護效果。

本文以8號厚煤層切眼支護參數為研究背景，通過數值模擬的方法對不同支護參數下厚煤層切眼支護進行了分析。由此得出的厚煤層巷道支護技術為現場實際提供重要參考，對其它礦井厚煤層工作面巷道支護技術的選擇具有重要的實踐意義。

1 工程背景

8號煤層平均厚度6.8m，煤層傾角0°～5°。工作面切眼沿煤層底板掘進，切眼斷面是矩形斷面，寬6.5m，高2.8m，面積為18.2 m2，長度為117.5 m。回采工作面巷道支護方式為棚式支護，具體為梯形木棚支護，切眼打雙排中柱，采用帶帽點柱作為臨時支護。

棚式支護方式的初期支護強度低，支護剛度不夠，支護效果不好，而且費用昂貴，所以不能有效控制巷道圍巖的穩定，故需要對8號煤層工作面巷道進行現場支護試驗，從而改進支護方式。所以選擇8號煤層工作面切眼采用棚式支護30m后改用錨桿支護，從而進行數值模擬研究。

2 不同支護參數下切眼支護數值模擬研究

2.1 模型的建立

依據8號煤層地質條件及其工程概況，在FLAC3D軟件中建立模擬的模型，選取工作面切眼左下角為原點O，XOY平面為水平面，Z軸為垂直方向，X軸正方向向右，Y軸正方向沿切眼垂直向內，Z軸正方向垂直向上，以此為標準建立模擬網格模型。模型側向采用鉸支邊界，底部采用固定邊界，上面為自由邊界。各個巖層的體積模量、切邊模量、抗拉強度、黏聚力和內摩擦角五個力學參數根據現場實測情況施加，模型初始最大水平主應力為12.4MPa，初始最小水平主應力為8.93 MPa，初始垂直應力為10.15 MPa。為了使模擬的巷道圍巖變形情況更加符合實際情況，選定巷道周圍的巖層和煤層本構模型為應變軟化模型，除此之外其他區域選擇庫倫-摩爾模型。數值模擬立體模型見圖1。

圖1 數值模擬立體模型

2.2 建模方案

對不同支護參數下的切眼圍巖預應力擴散效果進行分析。因為錨桿索發揮支護作用的關鍵影響因素就是預應力，所以選擇不同的錨索和錨桿支護參數，分別對不同情況下的煤巖預應力擴散效果進行分析。模擬過程擬采用原巖應力為0的條件，分析不同錨桿和錨索間距、預緊力、直徑以及長度情況下的預應力效果。

2.3 結果分析

（1）不同錨桿間距下的數值模擬結果分析

圖2 不同錨桿間距下的預應力云圖

圖2為不同錨桿間距下的切眼圍巖預應力云圖，從圖中可以看出，錨桿間距分別為600 mm、900 mm和1200mm時，圍巖應力峰值為0.51 MPa、0.50 MPa和0.48 MPa，所以錨桿間距對應力峰值的影響較小。當錨桿預應力相同時，錨桿間距主要影響預應力的范圍。當錨桿間距較大時，應力區域彼此孤立，切眼圍巖的穩定性隨著錨桿間距的減小而提高，但是當錨桿間距減小到一定程度，圍巖穩定性趨于平衡，變化較小。

（2）不同錨桿預緊力下的數值模擬結果分析

圖3 錨桿不同預緊力情況下的預應力云圖

圖3為不同預緊力情況下預應力云圖，從圖中可以看出，當錨桿預緊力為0時，切眼圍巖的預應力也為0，即不存在預應力場。錨桿預緊力分別為40 kN和60kN時，圍巖的應力峰值分別為0.35MPa和0.50 MPa，說明切眼圍巖的應力峰值隨著錨桿預緊力的提高而增大。錨桿預緊力為40 kN時，整個錨桿范圍都存在預應力，但預應力的作用范圍不大；錨桿預緊力為60 kN時，不僅在整個錨桿范圍內存在預應力，而且預應力的作用范圍也變大了。

（3）不同錨桿長度下的數值模擬結果分析

圖4 不同錨桿長度下的預應力云圖

圖4為不同錨桿長度下的預應力云圖，從圖中可以看出，錨桿預應力的范圍隨著錨桿長度的增加而擴大，具體表現為高度和寬度范圍的增加。錨桿長度不足2 m時，錨桿對頂板的支護作用不是特別強，直接頂范圍內壓應力疊加區域應力不大，擴散范圍不明顯；錨桿長度超過2.2 m時，錨桿對頂板的支護作用體現的較為明顯。所以錨桿對頂板的支護效果隨著錨桿長度的增加而愈加明顯。但是，錨桿長度也不宜過長，一方面增加成本，另一方面則是因為錨桿應該固定在性質較為穩定的巖體中，從而更好的發揮支護作用。

（4）不同錨索預緊力下的數值模擬結果分析

圖5 不同錨索預緊力下的預應力云圖

圖5為不同錨索預緊力下的預應力云圖，其中錨索長度為6.3 m，從圖中可以看出，當錨索預緊力分 別為50kN、100kN、150kN和200 kN時，切眼圍巖的壓應力峰值分別為0.4 MPa、0.65 MPa、0.85 MPa和1.13 MPa，這說明圍巖的壓應力峰值隨著錨索預緊力的提高而升高。圍巖的壓應力區域疊加效果隨著錨索預緊力的提高而變得愈加明顯，也就是沿錨索長度方向和巷道寬度方向的預應力效果隨著錨索預緊力的提高而明顯。

3 巷道支護方式設計

根據數值模擬結果分析，對巷道的初步支護設計方案為：錨桿和錨索聯合支護，并且對錨固段進行樹脂加長錨固。以下為具體方案：

1）頂板支護

錨桿選擇長度為2.4m的18號左旋無縱肋高強度螺紋鋼筋，錨桿尾部是直徑為M20的螺紋。頂板左右兩端的第一根錨桿要與頂板法線呈10°角，其他位置的錨桿與法線重合。錨桿間距為0.9 m，預緊力矩為300N·m；排距為0.8m，每排布置8根錨桿。

錨索直徑為15.24mm，長度為6.3 m，預緊力為150kN，需要加長錨固。錨索排距為1.2 m，每排1根。

2）巷幫支護

靠近工作面一側的錨桿選擇直徑為18 mm的玻璃鋼錨桿，長度為2m；煤柱一側錨桿選擇18號左旋無縱肋高強度螺紋鋼筋，長度為2.4 m；錨桿尾部選擇M20螺紋。兩幫的上下位置錨桿與水平方向成10°夾角，其他錨桿與水平方向平行布置。錨桿間距和排距都為0.8m，每排布置4根錨桿。

具體巷道支護布置見圖6。

圖6 巷道具體支護布置

4 結語

以8號煤厚煤層工作面為研究背景，通過數值模擬的方法，研究不同支護參數下對切眼支護的影響，主要結論如下：

1）當錨桿預應力相同時，錨桿間距主要影響預應力的范圍；圍巖的應力峰值隨著錨桿預緊力的提高而增大；錨桿對頂板的支護效果隨著錨桿長度的增加而愈加明顯。但是，錨桿長度也不宜過長，一方面增加成本，另一方面則是因為錨桿應該固定在性質較為穩定的巖體中，從而更好的發揮支護作用；圍巖的壓應力峰值隨著錨索預緊力的提高而升高。圍巖的壓應力區域疊加效果隨著錨索預緊力的提高而變得愈加明顯。

2）頂板支護：錨桿選擇長度為2.4m的18號左旋無縱肋高強度螺紋鋼筋，錨桿間距為0.9 m，排距為0.8m，每排布置8根錨桿。錨索直徑為15.24 mm，長度為6.3m。錨索排距為1.2 m，每排1根。

3）巷幫支護：靠近工作面一側的錨桿選擇直徑為18mm的玻璃鋼錨桿，長度為2 m；煤柱一側錨桿選擇18號左旋無縱肋高強度螺紋鋼筋，長度為2.4m，錨桿間距和排距都為0.8m，每排布置4根錨桿。