錨桿支護參數對井巷圍巖變形的影響分析

侯朝祥

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦， 山西 古交 030203）

引言

我國煤礦開采初期由于支護方式不合理且支護不到位常發生頂板坍塌、兩幫垮落等事故，嚴重威脅著井下作業人員的生命安全，大大降低了煤炭生產效率。采用液壓支架對工作面支護，在一定程度上提升了煤礦生產的安全性，同時采用錨桿+錨索聯合支護方式可進一步強化工作面生產的安全性[1]。對于錨桿支護而言，需根據煤礦工作面地質、煤層以及水文等條件設置最佳支護參數，達到最佳支護效果。本文將著重研究錨桿支護參數對井巷圍巖變形的影響。

1 工程概況

本文以鎮城底礦礦井3 號煤層所屬工作面為研究對象，該工作面的煤層平均厚度為6.06 m，其中可開采煤層的厚度為5.87 m。3 號煤為井田內主要的可采煤層，位于山西組的下部，井田四周均有風化剝蝕。煤層厚為 0～9.17 m，平均 5.71 m，含夾矸 0～3 層，一般0～2 層，結構簡單，為全井田穩定可采煤層。3號煤層所屬工作面的頂底板情況如表1 所示。

經探測可知，3 號煤層工作面頂板的抗壓強度13.3 MPa，抗拉強度為0.6 MPa；老頂的抗壓強度23.2 MPa，抗拉強度1.3 MPa。該礦瓦斯絕對涌出量為5.68 m3/min，掘進最大絕對涌出量為0.25 m3/min，二氧化碳（CO2）絕對涌出量為3.79 m3/min，批復為低瓦斯礦井。

表1 3 號煤層工作面頂底板情況

本文將采用有限元分析手段對3 號煤層所屬工作面的支護參數進行優化設計，從而達到提升井巷支護效果，保證工作面安全生產的目的[2]。

2 井巷支護現狀及仿真分析

2.1 井巷支護現狀

經對3 號煤層工作面地質、煤層以及水文條件分析可知，該工作面井巷的圍巖穩定性較差，而且，該工作面的斷面形狀為半圓拱形，其中半圓拱形的直徑為5 m，斷面最高點的高度為4.5 m。目前，3 號煤層工作面采用全斷面一次開挖的開采方式。為保證開挖后斷面圍巖的穩定性，在開挖后采用噴射混凝土和錨桿的支護方式對井巷圍巖進行控制[3]。具體支護步驟與參數如下：

1）巷道開挖后首先在巖層表面噴射30 mm 厚的混凝土；

2）混凝土表面打錨桿并掛鋼筋網；

3）急需噴射厚度為70 mm 的混凝土，保證兩次噴射混凝土的厚度不小于100 mm。

當前支護所采用錨桿的直徑為22 mm，錨桿長度為2 100，錨桿間距為800 mm，錨桿排間距為1 000 mm。所采用鋼筋網的規格為150 mm×150 mm，鋼筋的直徑為6.5 mm。

2.2 井巷開挖初期仿真分析

根據3 號煤層工作面的實際尺寸建立數值模擬模型，并根據巖層、煤層等條件對模型中的力學參數進行設置，該井巷圍巖的力學參數如下頁表2 所示。

基于所搭建的數值模擬模型，將對井巷未開挖時的初始應力和開挖初期支護進行數值模擬分析。

1）井巷初始應力模擬結果。經仿真模擬可知，3號煤層工作面在開挖初期初始水平應力值大于垂直應力值。其中，在水平方向以井巷的中心為界限呈現對稱分布；在垂直方向，初始應力值從下到上依次增大。對于井巷的初始位移而言，在水平方向的位移從中間向兩側依次增大，最大為53.1 mm；在垂直方向的位移從井巷底部到上部依次增加，最大為37.6 mm。

表2 3 號煤層工作面井巷圍巖的力學參數

2）井巷開挖初期模擬結果。為驗證當前支護參數對井巷圍巖的控制效果，分別對有支護手段和無支護手段下井巷圍巖的變形情況進行仿真對比，并得出如下結論：在噴射混凝土和錨桿支護的聯合作用下，對經井巷的圍巖得到明顯控制，與無支護手段相比圍巖的位移、變形很小。具體分析，當前支護參數對井巷頂板的控制效果較好，而對井巷兩幫的控制效果相對差一些，并且對巷道底板圍巖位移也起到一定的控制作用[4]。

3 錨桿支護參數對井巷圍巖變形的影響

3 號煤層當前所噴射的混凝土在錨桿的作用下與圍巖形成一個錨固區，從而實現了對圍巖變形的控制。噴射混凝土+錨桿支護對圍巖的控制效果在一定程度上決定于所選用錨桿的類型，即錨桿參數會對井巷圍巖的變形具有一定的影響作用。這里所述的錨桿參數包括有錨桿長度、直徑、間距以及預應力等。本文將對上述不同錨桿參數對應的支護效果進行仿真模擬分析。

3.1 錨桿長度對井巷圍巖變形的影響

本節對長度為1 500 mm、1 800 mm、2 100 mm、2 400 mm、2 700 mm 錨桿的支護效果進行研究，所選取錨桿的直徑為22 mm，錨桿間距為800 mm。結合第2 節中所建立的數值模擬模型，對不同錨桿長度下井巷圍巖的變形進行仿真分析，結果見表3。

如表3 所示，當錨桿長度為1 500 mm 和1 800 mm 時，巷道頂底板以及兩幫位移量幾乎一致；隨著錨桿長度的增加，當錨桿長度為2 100 mm 和2 400 mm 時，巷道頂底板和兩幫的位移量明顯降低，且兩種長度規格錨桿對圍巖變形的控制效果一致；當錨桿長度為2 700 mm 時，巷道圍巖的變形量進一步減小。因此，綜上所述，應將錨桿長度設定為2 400 mm以上。但是，過長的錨桿長度會增加施工難度，從而降低效率。

表3 錨桿長度對井巷圍巖變形的影響 mm

3.2 錨桿直徑對井巷圍巖變形的影響

本節對直徑為 16 mm、18 mm、20 mm、22 mm 以及24 mm 錨桿的支護效果進行研究，所選取錨桿的長度為24 mm，錨桿間距為800 mm。仿真結果如表4所示。

表4 錨桿直徑對井巷圍巖變形的影響 mm

如表4 所示，隨著錨桿直徑的增加，頂板、兩幫以及底板的變形量總體上呈現減小的趨勢。從細節分析來看，當錨桿直徑從16 mm 增大至18 mm 時，井巷圍巖變形得到明顯控制；但是，當錨桿直徑從18 mm 增大至20 mm 時，對井巷圍巖變形的控制效果反而變差，而隨著錨桿直徑的繼續增大對圍巖變形的控制效果又變好。分析數據可知，當錨桿直徑為18 mm 和24 mm 時，對井巷圍巖變形的控制效果幾乎一致。考慮到錨桿直徑越大，越增加施工難度，最終確定的最佳錨桿直徑為18 mm。

3.3 錨桿間距對井巷圍巖變形的影響

本節對間距為 600 mm、700 mm、800 mm、1 000 mm 以及1 200 mm 錨桿的支護效果進行研究，所選取錨桿的長度為24 mm，錨桿直徑為18 mm。仿真結果如表5 所示。

如表5 所示，隨著錨桿間距的增加，對井巷頂板和兩幫圍巖變形的控制效果變差；而底板圍巖的變形量呈現先減小后增大的變化趨勢。綜合分析，當錨桿間距為700 mm 時，對底板圍巖的控制效果最佳，且對頂板和兩幫的控制效果也較好。因此，針對3 號煤層工作面最佳錨桿間距為700 mm。

4 結論

錨桿支護為綜采工作面常見的支護方式，根據不同的支護工作面所對應的支護參數不同。為保證綜采工作面的支護效果，需充分結合實際地質、煤層等條件綜合確定錨桿參數[5]。本文采用數值模擬手段重點對錨桿參數對井巷圍巖變形的控制效果進行對比分析，得出3 號煤層工作面最佳錨桿支護參數如下：錨桿長度為2 400 mm，錨桿直徑為18 mm，錨桿間距為700 mm。

表5 錨桿間距對井巷圍巖變形的影響 mm