特厚煤層煤巷錨索支護機制及參數優化研究

江心中

(內蒙古同煤鄂爾多斯礦業投資有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

在巷道錨桿索支護理論中，目前受到大部分煤礦企業所認可的有懸吊理論[1-2]、組合梁理論、組合拱理論[3-4]、圍巖強度強化理論[5]等。但由于煤礦地質條件的差異性較大，每種支護理論都存在一定的局限性，每種不同的地質情況往往不能用同一種理論來進行解釋。

隨著煤礦產量的提升，采掘接替問題顯得更加突出[6]。在這種前提下，盲目增加支護強度和支護密度不僅會帶來成本增加的問題，同時也會減緩掘進速度，更加惡化煤礦的采掘接替問題[7]。所以，選擇合理的錨桿索支護理論和支護參數可以在確保巷道安全的前提下減少支護成本、加快掘進速度，為煤礦的高產、高效生產提供有力保障[8]。

目前很多井下巷道是沿煤層掘進的，錨桿索也有很大一部分其實是在煤體中進行錨固的。以下主要通過數值模擬的方式，針對特厚煤層煤巷錨桿索支護的支護理論、錨桿索間排距及預緊力之間的關系進行研究，以得出合理的煤巷錨桿索支護形式。

1 錨索長度加固效果對比分析

本次研究主要針對特厚煤層，因此巷道均為全煤巷道，巷道尺寸為5 m×4 m。通過FLAC3D模擬軟件，建立如圖1所示的模型。為確保模擬的真實性，選擇摩爾庫倫本構模型進行模擬。模型共劃分22 500個單元，模型尺寸為30 m×30 m，在模型底部固定豎向位移，兩邊固定橫向位移。

控制錨桿預應力為100 kN不變，通過改變錨桿的間排距來進行對比分析。選取間距為900 mm、1 000 mm、1 100 mm和1 200 mm進行模擬(頂幫間距一致)，計算至模型平衡后，通過對比其預應力場的影響范圍、錨桿之間所形成加固拱的連續性以及加固拱中心應力大小來綜合分析錨桿間排距的合理性。

在保持錨桿排距不變、錨桿錨固長度不變以及預緊力不變的情況下，調整錨索長度分別為6.3 m、7.3 m和8.3 m進行對比分析，再針對每排單根以及每排兩根錨索進行對比分析，來研究錨索對深淺部煤體協同的最佳支護方式。

通過計算，在單根錨索的情況下，6.3 m錨索、7.3 m錨索以及8.3 m錨索與錨桿的協同支護預應力場分布云圖如圖2所示。

從圖2中可以看出，在預緊力不變的情況下，單根錨索的情況下錨索錨固端部與錨桿的加固拱之間的應力場隨著錨索長度的增加反而有所減弱，也就是錨索與錨桿所產生的加固拱之間的協同作用有所減弱。但錨索均對錨桿所形成的加固拱有增強效果。同樣通過監測加固拱中心加固荷載來對比其加固效果，得出的加固荷載變化曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著錨索長度的增加，錨桿加固拱中心加固荷載變化不大。因此可以得出，單根錨索的長度對錨桿所形成加固拱的強度影響并不大。但如果錨索長度過長，深淺部的煤體反而不能有效形成牢固的整體。所以，當錨索錨固在煤層中時，不能盲目增加錨索長度，選擇合適長度的錨索將有效增加深淺部煤體的結合程度，增強巷道支護效果。

圖3 錨桿加固拱中心荷載隨錨索長度變化曲線

2 現場效果對比分析

在井下特厚煤層煤巷中分段進行試驗，對比6.3 m錨索與8.3 m錨索條件下巷道的變形情況，得出如圖4所示的巷道變形曲線。

圖4 巷道頂底板移近量對比曲線

通過對比分析可以看出，6.3 m錨索與8.3 m錨索巷道變形量相差不大，均能有效控制巷道變形情況。因此，在特厚煤層條件下，增加錨索長度對巷道支護效果并沒有實質性的改善，并且帶來材料浪費、增加工人勞動強度、降低巷道掘進效率等問題。8.3 m錨索與6.3 m錨索現場支護效果實拍如圖5所示。

圖5 現場頂板支護效果

3 結 語

1) 當錨桿索支護在煤體中時，使用懸吊理論來解釋錨桿索支護原理是不適宜的。錨索并不是越長越好，如果錨索長度過長，深淺部的煤體反而不能有效形成牢固的整體。選擇適當長度的錨索將有效增加深淺部煤體的結合程度，增強巷道支護效果。

2) 通過現場分段試驗對比分析，在煤體可錨性均能達到設計標準的情況下，6.3 m錨索與8.3 m錨索均能有效控制巷道變形，支護效果差異性不大。