煤巷錨桿-索支護參數模擬及現場試驗

陳建偉

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司，山西 晉中 045300）

煤炭井工開采中巷道掘進是非常重要的一個環節，探索正確的煤巷圍巖支護理論、選擇安全可靠的支護方法、確定經濟合理的支護參數以及使用高效施工工藝顯得尤為重要[1-2]。實現巷道安全、快速掘進是一項綜合性施工工藝，其影響因素很多，主要有三個方面：人的影響、施工機械設備及生產技術的影響、施工地點安全的影響。這三者按照“木桶理論”，都會影響整體水平[3-4]。寺家莊煤業14101 工作面141011 巷道在掘進過程中出現了支護措施失效、巷道變形失穩等問題，亟需對錨固系統參數與支護方案進行優化。

1 錨桿（網）-索支護數值模擬模型

1.1 模型邊界條件

141011 巷道為研究對象，使用FLAC3D軟件，根據三維模型邊界條件，限制巷道周圍水平位移及底部三方向位移，上邊界自由。同時，假設：在模擬過程中，巖石每一層都是連續介質；初始模型是平面應變模型。在初始應力場作用下，依據材料力學性質改變成為相應的其他力學模型。模型如圖1。

圖1 數值模型構建

1.2 計算幾何模型確定

在此模擬中使用了應變軟化模型和Hoke Brown屈服準則。煤巖屈服失效后，根據三維應力路徑對煤巖進行統一軟化處理。如果模型中拉伸應力超過煤巖拉伸強度，則將煤巖視為拉伸破壞。

式中：σ1s為煤巖體強度峰值時階段最大主應力；m、s為材料常數，取決于煤和巖石特性以及初始裂縫發展；σc為煤巖單軸抗壓強度，σ3為最小主應力。

模擬所采用巖石與煤物理力學參數見表1。

表1 實驗測試巖石和煤物理力學參數

2 數值模擬方案設計對比分析

為滿足141011 巷支護需要，基于煤層頂底板巖層柱狀資料和煤巖物理力學參數，提出三種方案進行數值模擬分析。

（1）當錨桿錨入K2 灰巖，但長度小于500 mm 時，矩形斷面寬×高=4900 mm×4200 mm，頂板錨桿直徑為20 mm，長度為2400 mm，錨桿排距為1200 mm，間距為1000 mm。頂板錨索直徑為17.8 mm，長度為4500 mm，沿巷道中心布置，排距2400 mm。模擬結果如圖2。

由應力分布特征可知，巷道未發生明顯的運移變形和塑性破壞。在該支護條件下，巷道變形小，頂底板移近量約為10～15 mm，兩幫移近量約為20～25 mm，未發現顯著底鼓破壞現象。該方案能夠滿足現場對于圍巖控制要求。

（2）當錨桿錨入K2 灰巖，但長度大于500 mm 時，矩形斷面寬×高=4900 mm×4200 mm，頂板錨桿直徑為20 mm，長度為2400 mm，錨桿排距為1200 mm，錨桿間距為1000 mm。頂板錨索沿巷道中心布置，直徑17.8 mm，長度4000 mm，排距為2400 mm。模擬結果如圖3。

由巷道位移分布特征與塑性破壞區域可知，在該支護條件下，巷道變形不明顯，頂底板移近量約為10～20 mm，兩幫移近量約為25～30 mm，未發現顯著底鼓破壞現象。該方案能夠滿足現場對于圍巖控制要求。

（3）巷道直接頂板為K2 灰巖時，矩形斷面寬×高=4900 mm×4200 mm，基本支護方式為錨桿配合金屬網+鋼筋梯子梁。頂板錨桿的主要參數為：Ф20 mm，長度2400 mm，錨桿排距為1200 mm，錨桿間距為1000 mm。模擬結果如圖4。

圖4 方案（3）支護效果

分析應力分布可知，由于錨桿能夠錨固到堅硬巖石中，巷道位移變形和塑性范圍較小，頂底板移近量約為10～20 mm，兩幫移近量約為25～30 mm，未發現顯著底鼓破壞現象。該方案能夠滿足現場對于圍巖控制要求。

3 錨桿（網）-索支護數值計算

為確定支護間排距離，對以下四個方案進行比較，方案的錨桿排距依次為1.0 m、1.2 m、1.5 m和2.0 m，錨索排距依次為2.0 m、2.4 m、3.0 m 和4.0 m。如圖5。

圖5 不同排距下錨桿（索）加固后圍巖應力分布特征

比較不同排距下錨桿和錨索應力分布可知：當排距為1.0 m 時，錨桿和錨索能夠形成一個完整錨固體，錨桿和錨索有效壓應力區連接、重疊，形成網狀結構，很好控制住頂板。當排距為1.2 m 時，錨索之間有效壓應力區域連接存在一定間隙，但錨桿有效壓應力可以很好地連接和重疊。考慮到錨索與錨桿支護原理不同，因為頂板較為堅硬，通過錨桿錨固作用能形成整體，加上錨索懸吊作用，能夠很好維護頂板。當排距為1.5 m 時，錨桿和錨索雖能夠形成一個錨固體，但相鄰錨固體間沒有連接，有效壓應力不能重疊，所以該方案不能很好滿足該礦需要。當排距為2 m 時，錨桿間未能形成獨立錨固體，錨桿與相鄰錨索間也未很好連接，有效壓應力未能連接、重疊，形成網狀，所以該方案不能很好滿足現場需要。

4 工程實踐

通過數值模擬研究結果，支護方式確定為錨桿配合金屬網+鋼筋梯子梁。頂板錨桿規格參數：Ф20 mm，長度為2400 mm，錨桿排距1200 mm，間距1000 mm。

試驗巷道長度100 m，從試驗巷道起點開始掘進20 m 后布置1#測點，然后每掘進20 m 依次布置2～4#測點。采用“十字量測法”進行觀測，每個測點布置1 條表面位移觀測線，每3 d 觀測一次，在巷道頂底板及兩幫中點處布置A、B、C 和D 四個測點。利用測桿測出頂底板上下變形量，用鋼卷尺測兩幫左右變形量，讀數精確到1 mm。觀測結果如圖6、圖7。

圖6 141011 巷兩幫移近量隨時間變化趨勢圖

圖7 141011 巷頂底板移近量隨時間變化趨勢圖

通過觀測，可以看出兩幫最大移近為30 mm，在2#、3#測點中測出，在巷道開挖后第36 天出現；之后巷道兩幫變形量趨于穩定，5 月27 日到30 日，2#號測點兩幫變化量達到峰值，變化量為8 mm。頂底板最大移近量為3#測點測出31 mm，出現在巷道掘進后第33 天，后續巷道頂底板位移變形趨勢減弱，基本不發生變形。從6 月2 日起，頂底板變化量大約為2.33 mm/d，之后降低至大約0.05 mm/d，6 月17 日后基本趨于穩定。

從141011 巷道位移觀測和分析可以看出，兩側和頂底板變形和變化率相對較小，變形相對穩定。

5 結論

（1）結合礦井巷道實際情況，從巷道位移變形特征和塑性區域分布等方面分析了不同地質條件下錨桿（網）-索支護方案。

（2）通過數值模擬不同間排距條件下支護情況，發現巷道圍巖應力分布趨勢基本相似。其中排距1.2 m 時，錨桿的錨固作用能形成一個整體，支護安全和經濟性最優。

（3）現場實測發現，試驗段頂板和巷道兩側累計變形較小，符合預期。