四侯礦采區回風巷道錨桿支護參數模擬優化研究

趙景川

（1.遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000；2.山西煤炭運銷集團陽城四侯煤業有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

煤礦井下巷道錨桿支護已成為現代化礦井建設一種常用支護手段，為解決井下巷道錨桿支護強度合理的問題，多數專家學者對此進行了深入研究。仝太照、趙寶寶等利用工程對比確定了錨桿支護方案和支護參數[1-2]；李桐、王立華、白健等通過分析塑性區范圍，提出了中空注漿錨桿支護方式[3-5]；衛鵬、孫鵬等通過模擬分析錨桿長度和施工部位，提出最優支護方案[6-9]。由于四侯煤礦是資源整合建設礦井，地質力學參數較為匱乏，巷道支護設計缺乏相關依據。因此，四侯煤礦在系統測試各項地質參數的基礎上，采用數值模擬方法分析各項參數的錨桿支護效果，確定了錨桿支護時各項參數的最優組合，建立了巷道錨桿支護成套技術體系，實現巷道支護的安全高效。

1 概 況

四侯煤礦3 號煤層位于山西組下部，煤層平均厚3.55 m，結構較簡單，全區穩定可采，二采區回風巷用于二采區工作面的回風、輔助運輸等。埋藏最大深度為290 m，最小深度為222 m。二采區回風巷設計沿3 號煤頂板掘進，掘進斷面為矩形斷面，布置如圖1 所示。

圖1 二采區回風巷布置示意Fig.1 Arrangement of return airway in second mining area

煤層頂底板巖性及特征見表1。

表1 煤層頂底板巖性特征Table 1 Floor and roof lithology of coal seam

2 錨桿支護參數選取

根據四侯礦二采區地質參數，利用FLAC3D 建立數值模擬模型，模擬分析錨桿預應力、長度、密度、角度、錨固方式等參數的支護效果，確定了錨桿支護時各項參數的最優組合。

2.1 錨桿預應力

預應力是檢驗錨桿支護效果的關鍵性指標。如果錨桿的預應力低于規定值，說明錨桿支護不達標。錨桿預應力不足使得支護范圍內不能夠形成錨固合力，導致錨桿整體的壓應力區域變小，各個錨桿的壓應力區形成單獨的結構，錨固合力無法實現[10-11]。

當錨桿的預應力達到規定值時，支護范圍內的錨桿形成錨固合力，產生的壓應力完全覆蓋巷道周邊的圍巖，主動支護效果明顯。

錨桿支護的預應力原則是讓錨固范圍內的圍巖不會出現離層，以及圍巖不會受到拉應力，相對合理的預應力范圍區間是錨桿中間桿體屈服載荷的30%～60%。錨桿桿體直徑越大，錨桿所承受的屈服強度越高，而此時錨桿預應力的要求也會越大。

錨桿預應力與安裝過程中的成套裝備性能等相關性較大，需求的錨桿預應力越高，對成套裝備的性能要求也越高。圖2 為不同錨桿預應力形成的附加應力場分布云圖。

圖2 不同錨桿預應力形成的附加應力場分布Fig.2 Distribution of additional stress field formed by different anchor prestress

由圖2 可以看出，依據巷道尺寸、圍巖環境計算錨桿錨固時的預應力，各個錨桿的預應力能夠達到支護要求，通過各個錨桿相互聯動形成整體，才能達到良好的支護效果。圖中單根錨桿應力集中區有限，但可以通過錨桿支護過程中的成套裝備使錨桿的預應力向圍巖深部轉移，有效控制巷道圍巖變形破壞，保證巷道周圍巖體的穩定性。

2.2 錨桿長度

在一定程度下錨桿長度增加，錨固范圍也不斷增加，當錨固長度過大，錨桿受到圍巖的拉應力大于桿體強度時，容易產生折斷，失去錨固效果。為此，選擇錨桿長度分別為1.6～2.6 m，通過觀察錨桿的應力分布，判定錨桿的錨固效果，如圖3 所示。

圖3 錨桿長度為1.6～2.6 m 的應力分布云圖Fig.3 The stress distribution cloud chart under the bolt length of 1.6～2.6 m

由圖3 可以看出，在錨桿錨固預應力一定、圍巖環境相同的條件下，錨桿桿體長度越長，錨固頂端的預應力效果越不明顯，桿體越長時錨桿錨固的主動支護性越差。因此，通過提升錨桿錨固過程中的預應力，能夠實現減小錨桿長度的目的。

2.3 錨桿密度

當錨桿錨固預應力一定的條件下，單根錨桿受到巷道圍巖周邊的拉應力，能夠形成一種形狀和錐形相似的應力集中區域，由錨桿端部向上發散，應力逐漸減小，直至錨桿頂端應力幾乎為零。

如果錨桿的間排距較大，單根錨桿呈現的圍巖應力狀態是相對獨立的，不能和相鄰錨桿間形成合力，但當錨桿布置的間排距過小時，錨桿之間形成的應力集中區域相互耦合，形成聯動整體，這與錐形區域的結合度有關，形成整體合力后的區域越密，對巷道圍巖整體的支護達到一定程度時，趨于穩定。不同錨桿間距的支護附加應力場如圖4 所示。

圖4 不同錨桿間距的支護附加應力場云圖Fig.4 Support additional stress field cloud diagram under different bolt spacing

由圖4 可知，在外部圍巖環境相同的條件下，錨桿的間排距過密，整體支護的附加應力場不會隨錨桿密度的增大而一直增大，合理的錨桿支護密度是巷道圍巖支護設計經濟、安全的重要指標。

2.4 錨固方式

錨桿支護過程中的錨固方式分為端部、加長和全長錨固，不同錨固效果產生的附加應力場也不相同，圖5 為巷道圍巖環境相同條件下，不同錨固方式錨桿的附加應力場分布圖。

圖5 不同錨固方式錨桿的附加應力場分布Fig.5 The distribution of bolt additional stress field under different anchorage modes

由圖5 可以看出，在巷道圍巖環境相同的條件下，端部錨固時錨桿的附加應力場影響范圍最大，效果最好，其次為全長錨固、加長錨固。端部錨固作用過程中錨桿中部的附加應力場最弱，呈現“葫蘆”形狀的應力分布區。全長錨桿錨固作用過程中錨桿整體的附加應力場表現明顯，呈現“高腳杯”形狀的應力分布區。加長錨桿錨固過程中加長部分的附加應力場表現明顯，頂部范圍內附加應力場較弱，呈現“錐形”應力分布區。

端部錨固效果相比全長與加長錨固較好，但這兩種錨固方式可以通過提高錨固過程中的預應力，增加錨固后的附加應力場，提升支護效果。

2.5 錨桿角度

錨桿的角度對巷道圍巖應力場的分布區域起到至關重要的作用。錨桿不同角度的附加應力云圖如圖6 所示。

圖6 不同錨桿角度的附加應力場分布Fig.6 Additional stress field distribution under different bolt angles

由圖6 可以看出，當頂錨桿按垂直方式布置時，巷道頂板靠近角部的錨桿應力集中區域能夠與中間錨桿形成聯動整體，但巷道頂角位置的區域處于巷道圍巖支護的盲區，不能與頂部錨桿和幫部錨桿形成聯動整體，支護效果有待改善。

當頂角錨桿按不同角度布置時，角錨桿能夠與巷道頂部中間錨桿形成聯動整體，而且與巷道兩幫的幫錨桿形成聯動整體，使巷道圍巖附加應力場處于圓形狀態，錨桿的預應力擴散和疊加效果明顯，巷道支護效果相對穩定。

隨著巷道頂角錨桿角度的不斷增大，頂角錨桿產生的附加應力場逐漸與頂部中間錨桿、巷道兩幫的幫錨桿應力場產生分離，有效疊加區域逐漸減弱，當角度達到30°時，分離效果更加明顯，致使單根錨桿支護形成獨立體，支護效果較差。因此，煤層巷道圍巖錨桿支護設計時，巷道頂部角錨桿的最大角度不應超過10°。

3 結論

（1）通過提升錨桿錨固過程中的預應力，可以適當減小錨桿長度。

（2）合理的錨桿支護密度是巷道圍巖支護設計經濟、安全的重要指標。

（3）端部錨固效果相比全長與加長錨固較好。

（4）巷道頂部角錨桿的最大角度不應超過10°。