煤礦巷道錨桿支護技術有限元分析

劉甲

（同煤集團挖金灣煤業公司，山西大同037042）

引言

在煤礦開采過程中，隨著巷道的不斷掘進，巷道所受的礦壓越來越大。為了保證煤礦安全生產進行，如何改進煤礦巷道的支護方式，以較低的成本達到理想的支護效果，成為煤礦開采過程一個亟待解決的問題。傳統的煤礦巷道支護方式有木支護、砌暄支護和型鋼支護等。但是上述支護方式存在基本不具有初阻力的缺點，只有當圍巖發生變形時，支架的支護阻力才能增加。錨桿支護作為一種新的支護方式，其具有主動支護的優點。本文主要利用FLAC3D三維有限差分計算軟件對煤礦巷道的支護技術進行有限元分析，最終確定錨桿支護合理的支護方案[1-2]。

1 巷道錨桿支護有限元分析

煤礦巷道的支護穩定性主要由巷道的圍巖應力分布、巷道的圍巖強度大小、錨桿的支護阻力大小和巷道的斷面結構決定，因此決定利用三維有限差分計算軟件FLAC3D進行模擬分析。該軟件主要適用對材料產生塑性流動后的力學性能分析[3]。

1.1 有限元模型建立

根據模擬軟件特性及計算機的運算速度，本次模型大小設定長、寬、高分別為38 m、5 m、23 m。該模型有7個不同性質的巖層組成，各個巖層和煤層的力學參數見表1[4]。

1.2 巷道斷面的優化設計

由于原煤礦巷道的支護方式為U型鋼架棚支護方式，當進行錨桿支護時，需根據煤礦的實際條件選擇合理的巷道斷面支護方式，現分別對半圓拱形和梯形巷道斷面進行模擬，模型參數為半圓拱形斷面高度3.4 m，寬度3 m，斷面面積為9.2 m2，梯形斷面寬度3 m，高幫3.7 m，低幫2.45 m，斷面面積為9.2 m2。

利用三維有限差分計算軟件FLAC3D分別對兩種截面進行分析，并分別得出各個斷面的最大和最小主應力分布，如圖1所示。

表1 采煤巷道各煤層和巖層的力學參數

圖1 半圓拱形斷面和梯形斷面應力分布圖

從圖1可以看出，整體上梯形斷面巷道的應力場和半圓拱形斷面巷道的應力場有明顯區別。梯形斷面巷道的最大主應力線密度明顯比半圓形巷道最大主應力線密度要疏松。這表明梯形巷道圍巖不具有半圓拱形巷道圍巖的自穩特性，這會導致梯形巷道淺部圍巖得到卸壓，同時圍巖的承載結構將向巷道深部轉移。

從圖中還可以看出梯形巷道的兩幫和底板的應力場變化不大，頂板和上幫上部的應力差較大，另外在圍巖的肩角部位形成應力集中。

由于梯形斷面巷道和半圓拱形巷道的塑性區差別不大，主要是由于煤礦工作面運輸巷道深度約為200 m左右，其地應力不大。另外，頂底板的硬度大也使巷道圍巖擁有較大的抗破壞能力。本文不再列出有限元分析圖形。

2 錨桿支護方案優化設計

根據有限元分析結果和實際的施工特點，雖然半圓拱形巷道的圍巖應力條件相對好于梯形巷道，但是二者的圍巖塑性相差不大。因此本文選擇梯形斷面巷道為試驗巷道。

2.1 巷道頂板錨桿支護參數分析

在錨桿支護過程中，需要對錨桿施加預應力來保證巷道的支護效果。在早期的錨桿支護過程中，由于施工機具的限制，不能提供足夠的預應力，導致預應力相對較低，此時預應力僅能達到100～150 N，而實際要求預應力應保持在15～20 kN之間。因此對于傳統錨桿支護而言，其還不能達到主動支護的要求，仍然屬于被動支護[5-6]。

在進行錨桿支護設計時，應對錨桿施加足夠的預應力，根據巷道的埋深，巷道圍巖的應力大小和錨桿支護準則來確定錨桿支護時的預應力應為其桿體屈服載荷的30%～50%。

根據煤層頂底板巖層的厚度和實際施工條件，本文采用懸吊理論分析設計方法來計算工作面巷道的錨桿長度和直徑，從而確定錨桿的規格。根據錨桿支護理論和現場應用，設定錨桿的初始排距為800 mm，錨桿的預緊力為50 kN。

2.2 錨桿支護方案

根據上文對巷道斷面的有限元分析，選擇梯形斷面巷道進行實驗研究。這里提出兩種錨桿支護方案，利用FLAC3D軟件對不同種支護方案的應力分布進行有限元分析，最終選定最為合理的支護方案。支護方案如表2所示。

表2 不同錨桿支護方案參數mm

其中方案1的錨桿分布方式為，低幫側3根，高幫側1根。分別與頂板垂直放置和以15°安裝。

方案2的分布方式與方案1保持一致。對以上兩種錨桿支護方案分別進行有限元計算分析，如圖2所示。

圖2 不同錨桿支護方案的圍巖應力場分布

錨桿的預應力對圍巖的作用具有群錨效應，適中的錨桿密度可以使錨桿預應力的圍巖壓應力場產生疊加從而達到事半功倍的作用。

從圖2中不同方案的最大主應力場分布圖可以看出，不同的支護方案產生的圍巖壓應力整體差異較大。方案1的應力場相對方案2的應力場疊加深度深且應力場范圍小。方案1中0.02 MPa壓應力范圍明顯比方案2小。采用錨桿支護時，巷道肩角位置最容易形成應力集中，從而導致支護方案失效。因此肩角位置的壓應力分布直接影響支護方案的成功與否。從圖2可以看出方案2的巷道肩角壓應力分布范圍相對較大。

錨桿的間距大小和錨桿固定端產生的拉應力場疊加程度深淺成反比例關系。間距越小，拉應力場疊加深度越深，范圍也越大。從圖2中不同方案的最小主應力場分布圖可以看出，方案1的錨固端產生的拉應力場的數值和范圍相對方案2明顯較大。

選擇合適的錨桿支護距離，使巷道圍巖壓應力的大小和范圍得到保證。同時，最大限度地降低錨桿錨固端圍巖拉應力的大小和范圍。因此，經過綜合分析，選用方案2為煤礦巷道的最優支護方式。

3 結論

1）梯形斷面巷道和半圓拱形斷面巷道的圍巖塑性區相差不大。但是二者的應力分布卻截然不同。前者的圍巖最大應力線密度明顯比后者的圍巖最大主應力線密度要疏松。同時前者的巷道肩角位置的應力分布也較集中。

2）半圓拱形巷道的圍巖應力分布比梯形巷道應力分布好，但二者的圍巖塑性區幾乎一致。根據本煤礦巷道斷面和實際施工條件，決定選用半圓拱形斷面為本煤礦錨桿支護巷道的斷面形狀。

3）對兩種頂錨桿支護方案進行有限元分析，確定本煤礦巷道頂錨桿支護的最優方案為：錨桿規格Φ20 mm×2 000 mm的左旋無縱筋普通鋼螺紋錨桿，間距850 mm，排距800 mm，距低幫360 mm，距高幫320 mm。錨桿的安裝方式為，低幫側三根錨桿與頂板保持垂直，高幫側1根錨桿以15°安裝。

[1]何滿朝，袁和生.中國煤礦錨桿支護理論與實踐[M].北京：科學出版社，2004.

[2]王金華，康紅普，高富強.錨索支護傳力機制與應力分布的數值模擬[J].煤炭學報，2008，33（1）：1-6．

[3]康紅普.回采巷道錨桿支護影響因素的FLAC分析[J].巖石力學與工程學報，1999，18（5）：534-537.

[4]阮王明雄.越南楊輝煤礦巷道錨桿支護技術研究[D].徐州：中國礦業大學，2016．

[5]張國華.確定巷幫錨桿間距的理論計算[J].煤炭學報，2006，31（4）：433-436.

[6]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007.