夾矸煤層巷道錨桿支護角錨桿傾斜角度的確定及穩定性研究

牛 煜

（內蒙古工業大學 礦業學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

夾矸煤層巷道錨桿支護角錨桿傾斜角度的確定及穩定性研究

牛 煜

（內蒙古工業大學 礦業學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

針對國內某大型礦井工作面順槽的現場條件，以整體錨固理論為指導，采用理論分析與數值計算相結合方法，研究不同錨桿支護方案下巷道的應力場變化情況。研究結果表明：采用整體錨固能夠使巷道圍巖形成一個整體錨固帶，即錨固應力壓縮帶，角錨桿不同的傾斜角度會產生不同的整體錨固效果；煤層巷道頂板、兩幫及底板由于層狀分布而整體性差，在利用錨桿支護時，應采用整體錨固支護技術，以使其形成整體的錨固結構；頂板和兩幫的角錨桿隨著傾斜角度的增大，巷道錨固體間的縫隙逐漸變小，直至完全成為一個整體；當頂角錨桿、底角錨桿傾斜角度達到一定值時，最大主應力場在巷道周圍形成了一個完整的壓縮帶，即整體錨固，此事如果角度繼續增大，錨固效果將逐漸降低。

夾矸煤層；錨桿支護；穩定性；數值計算

1 概述

煤礦巷道支護是煤礦安全生產的一個主要問題。目前，錨桿支護因其成本較低、支護效率較高在煤層巷道中得到廣泛應用；然而，錨桿支護的方案設計還存在理論指導不足的問題[1-3]。近年來，錨桿支護理論層出不窮，被人們普遍接受的有：懸吊理論、減跨理論、組合梁理論、擠壓加固理論、楔固理論、最大水平應力理論、錨桿桁架作用機理、錨注支護理論、錨桿支護圍巖強度強化理論、松動圈支護理論、剪脹錨固理論、整體錨固理論，其中，整體錨固理論對于煤層巷道的支護設計起著重要指導的作用[4-7]。為了確定我國某大型礦井工作面順槽支護方案，在整體錨固理論的指導下，利用大型數值計算軟件，確定不同錨固方式下巷道的變形及應力分布，據此確定巷道的合理支護方案。這項研究成果可為礦井安全支護和安全生產提供了理論依據。

2 數值計算模型的建立

該礦工作面開采煤層附近的巖層綜合柱狀圖，見圖1。煤層埋深約430m，頂、底板巖層以泥巖、砂巖為主，煤層中的層理發育，各分層煤體力學參數差異較大[8]。3302巷道布置在該煤層中，斷面尺寸4.2m×3.3m，巷道沿煤層底板掘進，巷道兩幫及頂板以煤為主，在建立數值計算模型時，頂板煤層中考慮3層夾矸。通過現場取芯，并在巖石力學實驗室測定的物理力學參數、交叉口的巖石力學參數，見表1。

表1 數值計算巖層分布和物理力學參數表

模型除上邊界外的五個邊界面的法向位移固定；上邊界施加均布壓力，以模擬上覆巖層壓力，并施加重力場。為了研究整體錨固對巷道圍巖的支護效果，利用整體錨固理論，分別設計了錨桿傾斜角度的三種支護方案：方案一：巷道頂板采用5根錨桿支護，錨桿間距0.8m，錨桿長度2.4m；每側巷道幫部采用4根錨桿支護，錨桿間距0.8m，錨桿長度2.2m，頂錨桿和幫錨桿全部采用垂直巷道表面安裝。方案二：頂板角錨桿、巷道幫部頂角錨桿和底角錨桿采用傾斜20°的方式安裝，其它錨桿安裝方式同方案一；方案三：頂板角錨桿安裝角度變為30°，其它錨桿安裝方式同方案二。

表1 數值計算巖層分布和物理力學參數表

3 巷道支護的穩定性分析

為了分析三種方案的支護效果，選取每種方案的巷道圍巖最大主應力云圖分析。

從圖2可看出，巷道頂板上方壓縮帶和兩幫壓縮帶各自是一個獨立的錨固體結構，幫部錨桿形成的支護壓應力區和頂板錨桿形成的支護壓應力區基本是三個獨立的區域。在巷道的頂角處存在頂板錨固體結構和幫部錨固體結構的空隙帶，這對巷道的穩定性控制帶來很多不利因素。

圖2 方案一 最大主應力云圖

圖3 方案二 最大主應力云圖

圖4 方案三 最大主應力云圖

從圖3可以看出，巷道頂板上方壓縮帶和兩幫壓縮帶形成了一部分疊加，巷道幫部錨固體結構和頂板錨固體結構已經連通，但在巷道的頂角處仍然存在一小部分錨固體的空隙帶，這對巷道圍巖穩定性的整體控制仍然存在一些不利。

從圖4可看出，巷道頂板上方壓縮帶和兩幫壓縮帶疊加到了一起，形成了一個整體的壓縮帶，巷道頂板錨固體和兩幫錨固體已成為一個整體錨固結構，這種整體錨固結構對巷道圍巖穩定性非常有利。從模擬結果看出，隨著角錨桿角度的增大，頂板錨固體和幫部錨固體的范圍逐漸增大，冒土體之間的縫隙也逐漸減小，當錨桿傾斜角度到達一定數值時，錨固體連為一體，最后形成一個整體錨固體結構，其巷道圍巖的壓縮帶彼此疊加、重合，形成了大范圍的壓應力帶。

綜合以上分析，頂角錨桿、底角錨桿隨著偏移角度的增大，巷道周圍圍巖的位移場整體趨勢不變，鉛垂應力場和水平應力場發生了明顯改變。隨著角度的增大，水平應力場在兩幫煤壁處壓縮帶范圍朝頂底方向擴大，鉛垂應力場在頂板上方壓縮帶范圍朝兩幫方向擴大，最大主應力場在巷道兩幫和頂板的壓縮帶疊加程度越來越大，當頂角錨桿、底角錨桿傾斜角度達到一定值時，最大主應力場在巷道周圍形成了一個完整的壓縮帶，即整體錨固。

4 結論

煤層巷道支護問題歷來是采礦工程中復雜而又難以控制的問題之一；尤其是在巷道圍巖較破碎的情況下，由于受到巖層厚度、工作面埋深、地質構造、開采工藝、巷道尺寸及形狀等因數的影響，不同的現場條件應該采用不同的支護手段。通過研究國內某大型煤礦工作面順槽整體錨固技術，主要得到以下結論：1）煤層巷道頂板、兩幫及底板由于層狀分布而整體性差，利用錨桿支護時，應該采用整體錨固支護技術，以使其形成整體的錨固結構。2）頂板和兩幫的角錨桿隨著傾斜角度的增大，巷道錨固體間的縫隙逐漸變小，直至完全成為一個整體。3）當頂角錨桿、底角錨桿傾斜角度達到一定值時，最大主應力場在巷道周圍形成了一個完整的壓縮帶，即整體錨固；此時如果角度繼續增大，錨固效果將會逐漸降低。

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[11]Itasca Consulting Group,Inc.USA.FLAC3D[M].Fast Lagranginan Analysis of Continua in 3 Dimensions,version 3.0,User'sManual.

Determination of Inclination Angle and Stability Study of Bolting in Seams with Dirt Band

NIU Yu
(College of Mining,Inner Mongolia University of Technology,Huhhot Inner Mongolia,010051)

Based on the field situation of working face crossheading of one large-scale mine and thewhole bolted structure theory,theoretical analysis and numerical calculation are combined to study stress fieldvariation under different supporting plans.The results show that:the whole bolted structure enables thesurrounding rocks to form a whole bolted belt,anchoring stress compaction band;different inclination anglesof angle anchor have different effects;because of poor integration caused by layer distribution of coal seamroof,two sides,and floor,the whole bolted structure should be used.With the increasing inclination of theangle anchors of roof and two sides,the cracks between the bolted structure decrease gradually until a wholestructure appear;when the inclination angles of top and bottom angle anchors attain to a certain value,themaximum principal stress field forms a complete compaction belt,the whole bolted structure,but if the angleincrease continues,the supporting effectswill drop gradually.

seam with dirtband;bolting;stability;numerical calculation

TD353

A

2011-09-27

牛 煜（1983—），男，山西太原人，碩士，講師，從事煤層氣開發與煤礦瓦斯防治的研究與教學工作。

徐樹文