錨桿、錨桿錨索協(xié)調(diào)與短錨索支護(hù)數(shù)值模擬研究

胡志云

（晉煤集團(tuán)仙泉煤業(yè)有限公司，山西 長治 048007）

1 概況

仙泉煤業(yè)有限公司主采3號(hào)、15號(hào)煤層，煤層總厚平均為11.15m。其集中膠帶下山機(jī)頭硐室直墻半圓拱型，凈寬6.8m，直墻高2.5m，凈高為5.9m。由于硐室圍巖巖性偏軟，塑性變形較大，且硐室斷面大，導(dǎo)致硐室投入使用后，在礦山壓力的影響下，硐室變形嚴(yán)重，極易發(fā)生片幫及局部冒頂現(xiàn)象，支護(hù)較為困難，時(shí)常需要擴(kuò)修，嚴(yán)重影響硐室的使用，對(duì)礦井正常安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。現(xiàn)分別對(duì)集中膠帶下山機(jī)頭硐室選取錨桿支護(hù)、錨桿-錨索協(xié)調(diào)支護(hù)與全斷面短錨索支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，以期選擇出最佳的支護(hù)方式，確保礦井安全生產(chǎn)。

2 錨桿支護(hù)、錨桿-錨索協(xié)調(diào)支護(hù)與全斷面短錨索支護(hù)的對(duì)比分析

2.1 模型、邊界條件的確定及測線的布置

仙泉煤業(yè)集中膠帶下山機(jī)頭硐室斷面為直墻半圓拱，跨度6.8m，凈高為5.9m，底板依次為砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖，頂板依次為3號(hào)煤、泥巖、炭質(zhì)泥巖和中砂巖。使用FLAC3D建立模型，模型范圍300m×52.2m×30m。

根據(jù)模型的實(shí)際賦存條件，巷道埋深530m，即q=∑γh=13.25 MPa，因此在模型上方施加13.25 MPa的地層壓力，設(shè)定側(cè)壓系數(shù)λ=1，所以在左右兩邊界施加13.25 MPa側(cè)壓力；模型底邊簡化為零位移邊界條件；在x方向可以運(yùn)動(dòng)，y方向?yàn)楣潭ㄣq支座，模型兩側(cè)簡化為零位移邊界條件；在y方向可以運(yùn)動(dòng)，x方向?yàn)楣潭ㄣq支座。在x=0，y=0處各布置一條測線，監(jiān)測圍巖內(nèi)的位移及應(yīng)力情況。

2.2 模擬方案

本次試驗(yàn)分別對(duì)錨桿支護(hù)、錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)及全斷面短錨索支護(hù)在支護(hù)強(qiáng)度基本一致的條件下進(jìn)行模擬，建立了三種模擬方案。

方案1：錨桿支護(hù)，錨桿長2.4m，錨固長度1.0m，間排距0.9 m×0.9 m，施加預(yù)緊力50kN，支護(hù)強(qiáng)度P1=

方案2：錨桿--錨索聯(lián)合支護(hù)，錨桿長2.4 m，錨固長度1.0m，間排距1.2m×1.2m，施加預(yù)緊力50kN；錨索長7m，錨桿長度2.0m，間排距1.8m×2.0m，支護(hù)強(qiáng)度=0.062 MPa。

方案3：全斷面短錨索支護(hù)，錨索長5m，錨桿長度2.0 m，間排距1.4m×1.4 m，施加預(yù)緊力120kN，支護(hù)強(qiáng)度

2.3 三種支護(hù)情況的數(shù)值模擬對(duì)比分析

（1）綜合位移分析

從圖1可以看出：巷道周邊圍巖的位移最大，隨著距離的增加圍巖的位移逐漸減小；b中巷道頂板上部圍巖內(nèi)產(chǎn)生0.02～0.03m 位移的范圍較a有所減小，說明錨索對(duì)頂板深部巖體有一定的控制作用，減少了頂板的破壞，相應(yīng)降低了頂板對(duì)兩幫的壓力，兩幫圍巖內(nèi)產(chǎn)生0.02～0.03 m 位移的范圍也相應(yīng)的有所減小；c中圍巖內(nèi)產(chǎn)生0.02～0.03m 位移的范圍明顯較a和b小，說明錨索很好的控制了巷道周邊圍巖的變形破壞，減少了圍巖完整性的降低，提高了圍巖強(qiáng)度。

圖1 綜合位移對(duì)比情況

由于綜合位移等值線圖只能定性看到巷道周邊圍巖的變形特征，不能定量體現(xiàn)巷道圍巖沿某一方向的變化特征，因此，在頂?shù)装逯胁浚蛢蓭椭胁扛鞑贾靡粭l測線，觀測圍巖內(nèi)位移變化（見圖2、圖3、圖4）。

圖2 不同支護(hù)方式頂板圍巖內(nèi)位移

圖3 不同支護(hù)方式底板圍巖內(nèi)位移

圖4 不同支護(hù)方式左幫圍巖內(nèi)位移

由上圖可以看出，采用錨桿支護(hù)時(shí)，巷道頂板的最大下沉量約為73mm，底板鼓起量約為63mm，左幫移近量約為84mm；采用錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，巷道頂板的最大變形量約為68mm，底板鼓起量約為62mm，左幫移近量約為75mm；采用全斷面短錨索支護(hù)時(shí)，巷道頂板的最大變形量約為34mm，底板鼓起量約為60mm，左幫移近量約為55mm。采用全斷面短錨索支護(hù)，巷道頂板的最大變形量比錨桿支護(hù)、錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)分別減小了46.1%，40.4%；左幫移近量分別減小了38.1%，28.8%。可見采用全斷面短錨索支護(hù)對(duì)巷道變形的控制效果明顯優(yōu)于前兩種支護(hù)方式。

（2）最大主應(yīng)力分析

從圖5可以看出：巷道周邊圍巖內(nèi)的最大主應(yīng)力值最低，隨著距離的增加圍巖的最大主應(yīng)力逐漸增加。從a和b可以看出巷道周邊圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力為4MPa，c中巷道周邊圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力為5 MPa，說明采用全斷面短錨索支護(hù)，巷道圍巖的破壞程度較輕，應(yīng)力釋放程度較前者低；另a和b中應(yīng)力等值線密集程度基本相同，從圍巖表面到達(dá)最大主應(yīng)力峰值的距離相差不大，c中應(yīng)力等值線密集程度較前者高，從圍巖表面到達(dá)最大主應(yīng)力峰值的距離有所減小，說明采用全斷面短錨索支護(hù)，能夠控制應(yīng)力集中向深部轉(zhuǎn)移，避免產(chǎn)生新的破碎區(qū)，即全斷面短錨索支護(hù)效果優(yōu)于前兩種支護(hù)方式。

圖5 最大主應(yīng)力對(duì)比分析

由于最大主應(yīng)力等值線圖只能定性看到巷道周邊圍巖內(nèi)應(yīng)力的變化特征，不能定量體現(xiàn)巷道圍巖沿某一方向的應(yīng)力變化特征。因此，在頂?shù)装逯胁坎贾靡粭l測線，觀測圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力的變化（見圖6）。

圖6 圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力變化曲線

從圖6可以看出，采用錨桿支護(hù)時(shí)，在x=3.8m 附近出現(xiàn)峰值；采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，在x=3.3m 附近出現(xiàn)峰值；采用全斷面短錨索支護(hù)時(shí)，在x=2.8m 附近出現(xiàn)峰值。

可見在支護(hù)強(qiáng)度基本一致的情況下，采用全斷面短錨索支護(hù)，圍巖內(nèi)最大主應(yīng)力峰值距圍巖表面最近，說明錨索能夠提高圍巖的強(qiáng)度，使圍巖的屈服強(qiáng)度大于應(yīng)力集中強(qiáng)度，不產(chǎn)生新的破碎區(qū)。因此，避免了應(yīng)力集中向深部轉(zhuǎn)移。

（3）巷道圍巖塑性區(qū)分析

采用不同支護(hù)方式，巷道圍巖的塑性區(qū)范圍見圖7。

圖7 圍巖塑性區(qū)范圍

巷道圍巖內(nèi)塑性區(qū)分布大小是影響圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，從圖7看出，a中圍巖內(nèi)的塑性區(qū)范圍較大，頂板的塑性區(qū)寬度約為4.5m，兩幫的塑性區(qū)寬度約為4m，除了底角錨桿，其它錨桿全部處于塑性區(qū)內(nèi)，支護(hù)效果較差，錨桿不能控制塑性區(qū)的發(fā)展。圖b中頂板的塑性區(qū)寬度約為4.5m，兩幫的塑性區(qū)寬度約為4m，除了底角錨桿，其他錨桿全部處于塑性區(qū)內(nèi)，頂板錨索長度雖然大于塑性區(qū)范圍，可以將塑性區(qū)與深部穩(wěn)定巖層聯(lián)系在一起，但由于錨桿的控制作用差，不能很好的控制圍巖的變性破壞，錨索不能適應(yīng)圍巖變形，在支護(hù)過程中可能發(fā)生破斷，失去支護(hù)作用，造成塑性區(qū)的不斷擴(kuò)大。圖c中圍巖塑性區(qū)明顯減小，巷道周邊的塑性區(qū)寬度約為3 m，小于錨索長度，即5.0m 的錨索可以將塑性區(qū)懸吊在深部穩(wěn)定巖層之上，保持圍巖的完整性，控制塑性區(qū)的發(fā)展。綜上分析，采用全斷面短錨索支護(hù)對(duì)塑性區(qū)的控制最為合理。

3 結(jié)語

1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)巷道的具體情況，建立了FLAC3D三維模型，分別對(duì)錨桿支護(hù)、錨桿-錨索聯(lián)合支護(hù)和全斷面短錨索支護(hù)進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，在三種支護(hù)方式支護(hù)強(qiáng)度基本一致的條件下，采用全斷面短錨索支護(hù)對(duì)巷道圍巖的變形及塑性區(qū)的控制作用較好。

2）模擬結(jié)果顯示，采用全斷面短錨索支護(hù)，巷道的塑性區(qū)范圍約為3.0m。因此，選用長度為5.0m 的短錨索可將巷道周邊的不穩(wěn)定層與深部穩(wěn)定巖層聯(lián)系在一塊，保持圍巖的完整性，提高圍巖強(qiáng)度，確保巷道的穩(wěn)定性。