巷道錨桿支護參數優化數值模擬研究

姚京京

（山西西山煤電集團西曲礦， 山西 太原 030000）

0 引言

在煤炭開采過程中，由于巷道圍巖變形過大，造成巷道失穩，危害礦井工作人員的安全，在進行支護過程中，支護方案的合理性對于礦井經濟效益十分重要[1-2]，一旦支護不當或者支護過當都會造成后續較大的經濟浪費，所以合理的支護參數十分重要，此前較多學者基于原有支護方案進行過優化研究，但由于礦井地質條件的不同，使得支護方案無法直接生搬硬套，所以只能作為參考[3-4]。

以某礦為研究背景，利用數值模擬軟件，對不同支護參數下巷道的圍巖狀況進行模擬研究，旨在選定合理的支護參數，為礦井安全及高效生產提供一定的保障。

1 模型建立

根據實際的地質情況，建立數值模擬模型，選用FLAC3D 進行模擬，FLAC3D 數值模擬軟件是二維的有限差分程序FLAC2D 的拓展，其能夠進行土質、巖石和其他材料的三維結構受力特性模擬及塑性流動分析。設計模型的尺寸為285 m（長）×300 m（寬）×200 m（高），對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，在巷道斷面附近進行略微的細化分，而對距離巷道斷面較遠位置進行粗劃分，網格劃分完成后共計有單元網格1 501 260，共計擁有節點1 578 375 個。對模型進行物理參數設定，物理參數設定根據礦井巖層實際測得的力學參數，對模型進行邊界條件設定，對模型的下部施加固定約束，避免模型向下移動，在模型的左右面施加左右的固定約束，對模型的前后面施加前后的固定荷載，避免模型的水平橫動，在模型的上端面施加均布荷載，荷載大小為11.45 MPa，完成模型的建立。

2 模擬分析

2.1 錨桿長度

錨桿長度錨桿的關鍵參數之一，錨桿長度影響錨固區范圍，錨桿過長過短均有一定的弊端。所以錨桿長度合理值十分重要。對錨桿長度為1 900 mm、2 200 mm、2 500 mm、2 800 mm 四種情況下巷道圍巖塑性區分布情況進行模擬，模擬云圖如圖1 所示。

圖1 不同錨桿長度下巷道塑性分布云圖

從圖1 可以看出，當錨桿長度為1 900 mm 時，此時的巷道頂幫錨桿均處于塑性區內，錨桿的錨固段大部分處于塑性區范圍內，此時的錨桿難以發揮支護能力；而當錨桿長度增大為2 200 mm 時，此時巷道的幫錨桿部分錨固段進入穩定巖層，能夠發揮部分支護效果，巷道的頂錨桿的錨固段全部處于塑性區；當錨桿長度增大為2 500 mm 時，此時的幫錨桿錨固段達到穩定巖層部分有了一定的增大，頂錨桿處于塑性范圍，而錨固段未進入穩定巖層；繼續增大錨桿長度至2 800 mm 時，此時的幫錨桿進入穩定區域的錨固段長度繼續增大，巷道的頂錨桿幾乎全部處于塑性區內。根據以上分析可以看出，當錨桿的長度大于2 200 mm 時，此時的巷道頂幫錨桿均能發揮一定的支護作用，支護效果能夠滿足要求，所以設計錨桿長度時應當大于2 200 mm。

2.2 錨桿間距

對錨桿的間距進行設計，錨桿的間距越大，支護越稀，反之支護間距越小，此時的支護越密，根據實際情況選定間距分別為750 mm、800 mm、850 mm、900 mm、1 000 mm 五種情況進行研究，五種支護間距下的巷道圍巖變形曲線如圖2 所示。

圖2 不同支護間距下的巷道圍巖變形曲線

從圖2 可以看出，隨著錨桿間距的增大，此時巷道兩幫及頂板的變形量均呈現逐步增大的趨勢，而底板的變形量呈現與之相反的趨勢，同時觀察可以看出，巷道的變形量變化趨勢均呈現出緩慢到快速的過程，臨界點為間距900mm，所以當錨桿間距小于900mm時，即使進一步縮小間距，對于巷道變形量控制作用減弱；而當錨桿的間距大于900 mm 時，此時的巷道變形量會出現驟增，支護效果較差。綜合考慮可以得出，當錨桿間距為900 mm 時，此時的巷道控制效果與經濟效益綜合分析最佳。

2.3 錨桿排距

錨桿排距同樣是錨桿支護的重要參數之一，合理的排距直接影響支護效果與成本。錨桿排距過大對于錨固區形成具有一定的影響，造成巷道圍巖變形過大，所以根據現有支護方案，設計模擬排距分別為700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm 四種情況，模擬結果如圖3 所示。

圖3 不同支護排距下的巷道圍巖變形曲線

從圖3 可以看出，隨著錨桿排距的增大，巷道兩幫及頂板的變形量均逐步增大，底板的變形量呈現與之相反的趨勢，同時巷道的變形量隨著排距的增加呈現出緩慢到快速的過程，臨界點的排距為900 mm，當錨桿的排距小于900 mm 時，此時就進一步縮小間距，雖然能夠減緩巷道圍巖的變形，但減小幅度較排距900 mm之前有所減弱，而當錨桿的排距大于900 mm時，此時巷道的變形量較排距小于900 mm 會有較大幅度的增加，此時的支護效果較差，巷道的穩定性無法得到保證。綜合考慮可以得出，當錨桿排距為900 mm 時，此時的巷道控制效果與經濟效益綜合分析最佳。

4 結論

1）利用數值模擬軟件對不同錨桿長度下巷道圍巖塑性區分布情況進行模擬研究，發現當錨桿的長度大于2 200 mm 時，此時的巷道頂幫錨桿均能發揮一定的支護作用，支護效果能夠滿足要求，所以設計錨桿長度時應當大于2 200 mm。

2）對不同錨桿間距下巷道圍巖變形進行分析，確定當錨桿間距為900 mm 時，此時的巷道控制效果與經濟效益綜合分析最佳。

3）對不同排距下巷道圍巖變形進行分析，發現當錨桿排距為900 mm 時，此時的巷道控制效果與經濟效益綜合分析最佳，所以最佳間排距為900 mm、900 mm。