支護參數對巷道支護效果規律研究

朱欣鵬

（晉能控股煤業集團鐵峰煤業公司南陽坡礦， 山西 右玉 037200）

引言

在地質條件確定的情況下，支護效果的好壞往往是由支護參數決定，所以對于支護參數的研究非常重要。本次模擬運用FLAC3D 軟件。由于巷道上賦巖層的質量遠遠大于錨桿產生的應力場，使得應力場不易體現，這對研究造成了很大的困擾，所以在模擬中不考慮原巖應力，即在零原巖應力場條件下，以晉能控股煤業集團鐵峰南陽坡礦8704 工作面8 號煤層地質條件為背景，采用數值模擬的方法，分析支護參數對巷道支護效果的影響。

1 8704 工作面概況

8704 工作面位于307 盤區中東部，為8 號307盤區首采面，四周均為實煤區，北部接近110 m 大斷層，西部為307 盤區巷。上覆為3 號層、5 號層8704采空區。其回采巷道頂底板情況見表1。

表1 8704 工作面巷道頂底板巖性特征

2 支護參數選取

使用FLAC3D 軟件對巷道支護參數進行模擬，其中包括錨桿長度、間距、預緊力、角度以及錨索與W鋼帶。通過分析比較得出相關規律。

3 支護參數的影響情況

3.1 錨桿長度對支護效果的影響

考慮到的巷道頂板情況，錨桿長度的研究范圍為1.6~3.0 m，相鄰錨桿之間的長度差為0.2 m，所以一共模擬8 種不同長度的錨桿。將錨桿預緊力設為80 kN，通過模擬得到每種長度錨桿的頂板移近率，然后匯成曲線圖，具體情況見圖1。

圖1 錨桿長度對頂板移近率的影響

由圖1 可知，錨桿對于頂板位移量有很好的控制，將頂板移近率控制在3.2%以下，而且呈現規律性變化。在錨桿長度增加的過程中，移近率變化由急變緩，最終基本保持不變，總體呈現降低的趨勢。在長度2.0 m 之前時影響較大，2.0 m 之后影響減弱，在2.6 m之后基本沒有影響。如果頂板的條件不好或者考慮經濟因素，可以適當增加預緊力，降低錨桿長度在2.0~2.4 m范圍內取值[1]。

3.2 錨桿間距對支護效果的影響

錨桿預緊力仍然設定為80 kN，長度定為2.6 m，錨桿間距從0.5 m 開始取值，以0.5 m 遞增直到2.0 m，一共模擬四次，如下頁圖2 所示。

由下頁圖2 可知，在預應力錨桿長度保持不變的情況下，錨桿間距較大，其產生的預應力場是孤立的，每根錨桿的應力場之間沒有任何聯系，而且每根錨桿之間有大部分區域的應力值為0。當支護密度逐步增加時，錨桿間的距離縮短，錨桿產生的應力場不再孤立，彼此之間有了聯系，出現了接觸重合的地方，而且每根錨桿之間的應力值為零的區域逐步消失。此時每根錨桿發揮了自己的效果，構成了一個支護整體。但是錨桿間距縮小到一定數值后，再減小錨桿間距，錨桿形成的有效壓應力區域增加不明顯。所以間距選擇在1.0 m 左右[2-3]。

圖2 不同錨桿間距應力云圖

3.3 錨桿預緊力對錨桿支護效果的影響

合理的預緊力可以有效提升錨桿的支護效果，保持巷道的穩定性。在其他參數相同的情況下，錨桿預緊力取40 kN、100 kN 的應力圖如圖3 所示。由圖3可知，在一定范圍內錨桿預緊力大小的不同，產生的應力云圖有很大的差別。高預緊力可以有效提高桿尾應力的集中程度，使有效壓應力的范圍有了很大的提高。而且在中部產生的高應力區域也明顯增加，大大提升了錨桿的支護效果[4-5]。

圖3 不同錨桿預緊力應力云圖

3.4 錨桿角度對支護效果的影響

頂角錨桿角度的取值范圍為0°~30°，相互間隔為10°。錨桿預應力設為80 kN，其應力云圖見圖4。

由圖4 可知，頂角錨桿在角度增大的過程中，其預應力區的大小和范圍發生了明顯的改變，應力區從0°時整體作用體系中，開始一點點的分離出來。其產生的應力區域和相鄰錨桿產生的應力區域能夠接觸重疊的地方越來越少，慢慢演變成孤立的形式。在30°時這種情況尤為明顯，此時支護效果最差。所以為了發揮錨桿的效果，應盡量降低錨桿的角度，最好控制在20°以內[6]。

3.5 錨索與W 鋼帶對巷道支護效果的影響

3.5.1 錨索與錨桿共同作用對支護效果的影響

由模擬可知，在添加錨索和無錨索時，頂板位移量相差50 mm 左右，錨索對于控制頂板位移有著非常顯著的效果。錨索由于自身獨特的優勢，可與錨桿相互配合，適用于巷道圍巖破碎的補強支護當中[7]。

3.5.2 W 鋼帶對錨桿支護效果的影響

在支護中有、無鋼帶的應力云圖如圖5 所示。

圖5 有、無鋼帶應力云圖

從圖5 可知，在無鋼帶時，錨桿尾部產生的應力區呈現半圓形狀態，應力較為集中且頂板深部應力連接也較為孤立；而添加鋼帶后，錨桿尾部產生的應力區變得扁平，水平距離拉大，說明應力向兩邊發生了擴散，與此同時頂板深部應力場不再孤立，彼此之間有了聯系，出現了接觸重合的地方，構成了一個支護整體，支護效果得到了改善。

4 結語

通過數值模擬，得出回采巷道錨桿長度、錨桿間距，錨桿預緊力，錨桿角度以及錨索、W 鋼帶輔助支護物等對巷道支護效果的影響規律，對煤礦支護有一定的指導作用。