注漿錨索超前支護參數優化研究

周 瑋

（山西焦煤西山煤電西曲礦， 山西 太原 030000）

引言

在我國厚煤層開采過程中，采煤工作面回采巷道超前支護問題一直影響困擾著礦井的開采，回采巷道超前段由于受到多重采動影響，使得回采巷道超前段礦壓顯現嚴重，對超前段進行安全有效的支護十分重要。我國礦井發生的事故中3 成以上是巷道頂板事故[1-2]。某礦回采巷道超前段支撐采用單體液壓支柱，但由于其支護難度大、支護效率低的問題嚴重限制著礦井的出煤率[3]，因此本文以某礦為研究背景，利用數值模擬軟件對不同注漿錨索支護參數進行研究，并通過現場實踐，驗證了利用注漿支護代替單體液壓支柱的可行性，為礦井安全高效開采提供保障。

1 某礦回采巷道概況

某礦東西長約10.5 km，南北寬1.8 km，井田總面積15.1545 km2。工作面煤層賦存較為穩定，主采3 號煤層，煤厚7.4～8.9 m，煤層平均厚度為8.1 m，其中頂煤厚4.5～6.0 m，平均5.25 m。煤層走向近似南北，煤層傾角1°～3°，煤層傾角平均值為2°。煤層頂板及底板巖性如表1 所示。

表1 煤層頂板及底板巖性

2 數值模擬

采用注漿錨索超前支護技術能夠改善錨索的受力，使錨索能夠及時向巷道圍巖提供相應的支護阻力。使得圍巖的自身承載能力有了一定幅度的提升。將松散、軟弱的圍巖進行固著，從而使得圍巖與錨索形成穩定錨固體，達到維護巷道穩定的作用，本文利用數值模擬軟件對不同注漿錨索參數下的巷道錨巖體耦合效果進行分析，從而為回采巷道超前支護提供依據。

根據實際地質情況，選定FLAC3D 數值模擬軟件進行模型建立，模型的尺寸設定為100 m×80 m×20 m，巷道的斷面尺寸為4.2 m×4 m，對模型進行網格劃分，由于本文計算模擬數據較多，所以在進行模型網格劃分時，將模型尺寸進行粗劃分，在保證計算精度的前提下盡量提升模型的運算速度。完成模型網格劃分后對模型進行應力設置，根據計算施加模型上端載荷16 MPa，模型采用庫倫- 摩爾屈服準則，完成模型的建立。對巷道塑性破壞規律進行研究，模擬云圖如圖1 所示。

圖1 巷道塑性破壞云圖

從圖1 中可以看出，巷道塑性變形大致可分為三個階段：

1）巷道回采初期，在此階段內，巷道的淺部圍巖應力狀態改變。考慮到由于巷道斷面尺寸較大，此時在巷道的頂底板中間位置出現拉伸破壞，圍巖塑性區域快速擴展，在巷道四個肩角位置呈現擴散性向著四周發生擴展，破壞主要為剪切破壞形式，同時隨著圍巖破壞范圍的不斷深入，在軟弱煤幫的煤體會出現大量的裂隙，裂隙的產生會釋放能量，從而使得圍巖塑性區范圍快速增加。

2）巷道回采中期，在此階段內巷道圍巖的能量達到飽和，裂隙及圍巖的塑性區快速增長，伴隨著采動的影響和原巖應力的作用，此時在巷道的幫部及頂板出現較大面積的剪切破壞和拉伸破壞，同時會在頂板與煤層夾角位置出現應力集中，煤巖體的自承載力下降，巷道的圍巖位移量快速增大。

3）巷道回采后期，在此階段內，巷道的圍巖支撐應力與原巖應力達到平衡狀態，此時巖體塑性區也基本達到穩定狀態。此時的頂板受自重形成彎曲的固支梁結構。巖層間受拉應力的影響，巷道頂板會出現一定的離層及裂隙，巷道圍巖的完整性和承載力受到一定的影響。如果巷道的頂板巖層巖性較為軟弱，會加劇幫部軟弱煤體的破壞，最終導致巷道的失穩破壞。

對不同注漿錨桿參數下錨巖體耦合效果進行分析，首先對錨桿長度進行分析，選定錨桿長度分別為5200 mm、6200 mm、7200 mm，模擬云圖如圖2 所示。

圖2 不同注漿錨桿長度下耦合云圖

從圖2 可以看出，當錨索長度選用5200 mm 時，此時通過應力分布可以看出，錨索預應力釋放后，此時巷道的頂板發生變形。此時在頂板深部0～2500 mm 的范圍內形成壓應力承載結構。在錨索的底端與頂端壓應力之間相互疊加，疊加的壓應力值相對較小，所以對提升承載層的強度作用較小，同時在錨索的端部難以深入基本頂中穩定錨固，錨固效果較差。當錨索長度增加至6200 mm 時，此時在錨索頂板深部0～5000 mm 的范圍內壓應力值相互疊加，能夠形成穩定承載結構。在錨索頂端和底端壓應力集中區貫穿，壓應力區域內形成完整有效的應力疊加，圍巖承載層強度得到了較大幅度的提升，能夠抵抗采動對頂板的影響。當錨索長度增加至7200 mm 時，此時在錨索頂板深部0～6000 mm 的范圍內形成壓應力疊加，但由于錨索長度過長，使得錨索頂端與底端壓應力集中區雖能貫穿，但在壓應力集中區域內數值變化較大，難以形成穩定的應力疊加，所以頂板的穩定性較差，對于采動的影響效果有限。所以可以得出最佳錨索的長度為6200 mm。

對不同錨索預應力進行分析，選定錨索預應力分別為100 kN、150 kN、200 kN，模擬云圖如3 所示。

從圖3 可以看出，當錨索產生的預緊力大于150 kN 時，此時錨索能夠在巷道頂板巖層中形成有效的預應力，預緊力越大使得巖層中的預應力有效疊加效果越好，形成整體壓應力區，從而改變開挖后巷道頂板的拉應力破壞形態。同時形成穩定的錨巖支護體承載結構，改善巷道圍巖承載能力及圍巖受力狀態，預緊力同樣能降低由于頂板沉降造成的煤柱應力集中及受力不均問題，達到穩定巷道的目的。

圖3 不同注漿錨桿預應力下耦合云圖

3 結論

1）通過數值模擬發現巷道塑性變形大致可分為三個階段，分別為巷道回采初期、巷道回采中期、巷道回采后期。

2）當錨索長度為6200 mm 時，此時在錨索頂板深部0～5000 mm 的范圍內壓應力值相互疊加，能夠形成穩定承載結構，耦合效果最佳。

3）當錨索產生的預緊力大于150 kN 時，此時錨索能夠在巷道頂板巖層中形成有效的預應力，預緊力越大使得巖層中的預應力有效疊加效果越好。