回采巷道錨桿錨索聯合支護作用數值分析

武小冬

（山西臨縣西山晟聚煤業有限公司，山西 臨縣033200）

煤炭資源作為我國主要的能源主體在我人民生產生活中占據了十分重要的地位，根據2017年的統計我國煤炭資源的消耗占我國能源消耗總量的62%，且隨著工業化的推進其能源消耗主體地位不會發生改變。隨著開采年限的不斷增大，賦存條件較為簡單的煤層已經逐步完成開采，開采的重點已經逐步向著賦存條件較為惡劣的煤層進行轉化。為了實現煤礦安全高效的開采，提升巷道的成巷速度，對支護技術的優化提升逐步成為了我國煤礦開采的重要課題[1,2]。錨桿錨索聯合支護作為一種自主動支護體系具備掘進快、成本低、支護效果好等特點，但錨桿錨索聯合支護由于支護參數及耦合的原因時長會出現圍巖變形大、速度快造成支護不及時，使得圍巖未得到有效的控制，同時由于支護過度造成資源浪費。所以對錨桿錨索聯合支護的支護參數選定進行研究是十分有必要的。此前眾多學者對此課題進行了一定的研究[3,4]。本文通過數值模擬軟件對錨桿錨索聯合支護進行建模分析，給出了錨桿錨索聯合支護參數合理值，為巷道錨桿錨索聯合支護提供一定的參考。

1 模型建立

錨桿錨索聯合支護并不是簡單的加強支護，而是相互影響的支護方案，當進行軟弱圍巖支護時，聯合支護相互互補，將錨索和錨巖支護體進行有效的結合，由于軟弱圍巖在掘進初期變形量較大，此時加入錨索進行補強支護時由于圍巖的變形量較大極易造成錨索的斷裂，單純的錨桿支護通過其相互的擠壓作用使得圍巖和錨桿形成具有一定載荷能力的錨固體，此時錨固體可以存在一定的變形，將圍巖內部的彈性應變能進行有效的釋放，使之在一定程度上達到穩定，此時加裝錨索，由于此時圍巖變形量較低，對錨索變形量的要求不高，從而大大降低了圍巖的變形量，提升了錨固體的穩定性，改善了圍巖的環境。

錨桿錨索聯合支護形式下成拱的作用機理是利用錨索網與圍巖組成拱，在進行預應力的施加，使得大變形圍巖的整體抗剪程度大大提升，同時施加錨索預應力使得巷道頂板的應力張量得到一定的緩減，使得頂板的抗變形能力得到一定的提升。同時錨桿錨索聯合支護下使得巷道巖石的冒落得到控制，有效提升了巷道的穩定性。

為了對聯合支護下巷道頂板的運移進行一定的研究，本文選定FLAC3D數值模擬軟件進行模擬分析，根據實際的地質情況對模型進行建立，巷道的尺寸設計為4.5 m×2.9 m，巷道埋深為300 m，經過對巷道影響范圍進行計算，給出影響范圍的半徑為13.4 m，為了消除邊界效應對模擬結果的影響，設計模型長寬高分別為40 m、4 m和40 m，完成模型尺寸設計后對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，考慮實際模擬情況，選擇對巷道的頂板及兩幫位置進行模型的細化分。對模型進行力學參數的設定，根據地質資料，將模型從上到下分為5層，分別為6 m細砂巖、12.5 m的泥巖、6 m的煤層、10.5 m的泥巖及5 m的粉砂巖。根據巖石力學屬性對模型參數進行設置。完成模型參數設定后對模型的邊界條件進行設置，對模型下邊界進行固定約束設置，左右兩邊限制移動，在模型上端施加覆巖自重約為6.5 MPa。完成模型設定后對模型的支護參數進行一定的設置，模型頂板錨桿的參數：錨桿直徑20 mm，錨桿長度為2 200 mm，錨桿布置間排距為800 mm×1 000 mm，錨桿的預應力為60 kN；左幫錨桿的參數為：錨桿直徑18 mm，錨桿長度為1 800 mm，錨桿布置間排距為750 mm×1 000 mm，錨桿的預應力為40 kN；頂板錨桿的參數為：錨桿直徑18 mm，錨桿長度為1 800 mm，錨桿布置間排距為750 mm×1 000 mm，錨桿的預應力為40 kN；頂板錨索直徑17.8 mm，錨桿長度為6 000 mm，錨索布置間排距為1 900 mm×3 000 mm，錨桿的預應力為200 kN。完成模型設定后對模型進行模擬計算。

2 模擬計算

首先對測點距離工作面距離82 m、62 m、32 m、12 m四種工況進行分析，模擬位移云圖如圖1所示。

圖1 不同工況下位移云圖

從圖1可以看出，隨著工作面的不斷推進，工作面距離巷道監測點逐步靠性。考慮到模擬巷道斷面為矩形，所以在巷道的斷面易形成拉應力區，同時在巷道的頂板邊角處也易出現應力集中區，導致巖體發生破壞。可得出采用錨桿索聯合支護后可有效的控制了圍巖的位移。使得回采巷道的礦壓顯現來看，巷道圍巖的變形主要由兩部分組成；一邊為支承壓力下圍壓產生的變形；另一個是由于圍巖的應力釋放產生的變形。由于讓壓錨桿的支護存在一定的可縮性，使得錨桿可隨圍巖變形進行一定的伸縮調節，從而釋放一定的變形能，保障了巷道的穩定性。當用錨桿支護時會形成組合拱結構，很大程度上可以抑制沿走向圍巖的松動變形，使巷道具有很好的穩定，在一定程度限制變形。

不同工況下巷道頂板底板變形量及巷道兩幫變形量對比圖如圖2所示。

如圖2所示，在模型巷道布置的位移監測點。隨著工作面每向前推進10 m，位移監測記錄一次位移變化，得出不同工況下巷道的應力及變形云圖。根據巷道頂板底板移近量及巷道兩幫移近量對比圖可以看出，隨著工作面的不斷推進，監測點和工作面的距離隨之減小，此時巷道底板的表面位移呈現出增大的趨勢，當工作面與測點的距離為90 m時，此時巷道底板的變形量為19 mm；隨著工作面距監測點的距離減小至2 m時，巷道底板的變形量增大為40 mm，底板的變形量增大了21 mm。巷道底板的位移變形趨勢大致呈現出先增大后減小再增大的趨勢，當工作面距監測點為60 m時，此時巷道頂板表面位移出現增大的情況，巷道頂板的變形量為90 mm；隨著工作面繼續推進，巷道頂板變形量逐步降低，當工作面持續推進至40 m時，此時巷道頂板位移量逐步趨于平穩，變形約23 mm；工作面距測點小于20m時，巷道頂板的位移量增大，增大至110 mm。這是由于隨著工作面推進至60 m的位置時，此時工作面的超前支撐壓力作用于頂板，造成巷道頂板的位移量增大，當距工作面20 m，此時由于工作面側向支撐壓力與超前支撐應力共同作用，巷道頂板表面位移再次升高。

圖2 巷道頂板底板移近量及巷道兩幫變形對比圖

由圖2可以看出，隨著工作面距測點距離的不斷縮小，巷道兩幫位移量呈現出逐步增大的趨勢，對比左幫右幫位移變形量發現，巷道左幫位移變化量小于右幫。左幫位移最大變化量約35 mm，右幫最大位移變形量約為18 mm，這是由于頂板應力向底板轉移過程中，作用于幫部所致，而右幫受到的采影響較大。

3 結論

1）本文利用數值模擬軟件對錨桿錨索聯合支護巷道變形進行分析，給出了建模步驟，為后續的數值模擬計算奠定基礎。

2）對測點距離工作面距離82 m、62 m、32 m、12 m四種工況位移云圖進行分析發現，錨桿錨索聯合支護可有有效限制圍巖的松動變形，維護巷道穩定性。

3）通過對不同工況下巷道頂板底板變形量及巷道兩幫變形量進行分析發現，隨著工作面距測點距離的不斷縮小，巷道兩幫位移量呈現出逐步增大的趨勢，頂板底板移近量呈現先增大后減小再增大的趨勢。