礦井巷道錨桿支護的應力分布

于海威

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司 店坪煤礦，山西 呂梁 033102）

小莊煤礦4302 回風順槽總設計長度1348 m，該巷從四采區皮帶巷（西翼） 900 m 處開口，以270°29′19″方位角向前掘進，先沿5°下山掘進，逐漸破頂，掘進到四采區回風巷上方時保證與四采區回風巷之間留有最少500 mm 厚的煤層；掘進至46 m 后與4302 回風順槽回風道貫通，以6°37′坡度下山掘進，掘進到四采區膠輪車巷上方時，保證與四采區膠輪車之間留有最少500 mm 厚的煤；掘進至99 m 與4302 回風順槽聯絡巷貫通后，以5°～7°下山找見煤層底板，最后沿3 號煤層底板使用采綜掘方式掘進到指定位置。

1 概況

1.1 煤層的特征參數

小莊煤礦4302 回風順槽3 號煤層巷道斷面尺寸長×寬=5.2 m×3.5 m，斷面面積18.2 m2。在煤層垂直方向上自上往下依次為老頂、直接頂、偽頂、直接底、老底，各煤層巖性情況見表1。

表1 煤層特征情況Table 1 Coal seam characteristics

1.2 水文地質情況

依據鉆孔勘探資料顯示，工作面的水文地質類型為中等[1]，影響4302 工作面掘進的水文因素主要有地表水、第四系含水層水、頂板水、底板水、鉆孔水、斷層水、老空水、陷落柱水等。

從四采區膠輪車巷（西翼） 及周圍已開采煤層狀況分析，受層間滑動構造的影響，夾矸局部變厚，導致頂、幫破碎，該區域煤質酥軟，頂板破碎，巷幫局部節理發育，容易造成局部片幫，根據三維地震勘探結果預測該掘進區域煤層傾角1°～7°。

1.3 含水層突水系數

依據鉆水孔的勘測資料，4302 工作面奧灰水位標高為+636—+638 m，該工作面巷道底板標高為+500—+563 m，因此本工作面屬于帶壓采掘型的工作面。

查閱《煤礦防治水細則》及相關文獻[2-4]，通過相關公式推導得到突水系數T：

式中：H 為奧灰巖溶水壓標高，m；h 為奧灰頂面標高，m；ρ 為水的密度，kg/m3；g 為重力加速度，取9.8 m/s2；H煤為煤層底板標高，m。

由4302 工作面鉆孔柱狀圖可知，隔水層的總厚度為127.77 m，將以上各參數代入公式，計算結果見表2。

表2 煤層奧灰突水系數計算結果Table 2 Calculation results of ordovician limestone water coefficient in coal seam

2 巷道支護的布置

2.1 頂板離層動態監測

在開采的過程中，為了連續動態監測頂板不同層面的下沉量，需要在頂板上安裝頂板離層指示儀，主要優點如下。

（1） 連續性可視化地觀察頂板下沉情況，監測頂板失穩現象，避免冒頂礦難的發生。

（2） 記錄監測數據，分析總結數據，作為優化錨桿支護強度設計的參考依據。4302 工作面使用機械式頂板離層指示儀，每間隔50 m 安裝1 組頂板離層儀，分別在頂板上7.8 m 和2.3 m 兩個基點位置鉆打φ29 mm 的安裝孔，如圖1 所示。

圖1 離層儀安裝示意Fig.1 Installation instructions of separator

2.2 巷道支護原則

針對現場實際情況，為保證巷道安全，利用錨桿的支護作用，提出以下支護設計原則。

（1） 一次性支護原則，為有效控制地應力下圍巖的相對變形量，在節約成本和材料的前提下，錨桿的支護盡量一次滿足使用要求。

（2） 高預應力原則，錨桿支護的關鍵參數是預應力，若錨桿預應力太低，則錨桿支護為被動支護。應提高錨桿的預應力，使其變為主動支護。

（3） 三高一低原則，即錨桿高強度、高剛度、高可靠性及低支護密度。為保護巷道的安全支護，提高開采效率，可提高錨桿強度和剛度，盡量減少錨桿的數量，做到經濟實用，降低支護成本。

2.3 錨桿支護的設計

2.3.1 錨桿的預應力

錨桿預應力是巷道支護的關鍵影響因素，若預應力選擇較低，則錨桿上的附加應力較低，不能形成連續的有效壓應力區，使支護強度不夠，發生冒頂事故[5]；在盡量節約支護材料的前提下，若預應力合適或稍高，則錨桿上的附加應力較大，形成的壓應力區連續覆蓋了整個頂板，錨桿支護安全系數就高，如圖2 所示。故預應力選擇原則是：保證頂板不產生明顯離層和拉應力現象，預應力取值為錨桿屈服強度的40%～50%。

圖2 錨桿應力云圖Fig.2 Bolt stress nephogram

2.3.2 錨桿長度

錨桿長度越長，雖然形成的有效壓應力區域和厚度增加，支護范圍變大，但錨桿中上部的壓應力和錨桿間圍巖的壓應力均減小。若預應力不變，當錨桿長度越長，預應力的作用則越弱，致使巷道的支護性越差，因此為提高巷道支護預應力，可適當減小錨桿長度[6]。錨桿長度分別取1.6 ～2.6 m，應力分布如圖3 所示。

圖3 錨桿長度變化的應力云圖Fig.3 Stress nephogram of bolt length variation

2.3.3 錨桿密度

在一定預應力情況下，在錨桿周圍區域分布類似錐形的壓應力區，且壓應力在錨桿尾部最大，錨桿固定端的起始端次之，錨桿自由端中間部分較小，錨桿端部應力基本為零和較小的拉應力狀態[7]。若錨桿間距過大，則錨桿不能形成連續的錐形壓應力區域，支護強度和安全性較差；若逐漸減小錨桿間距，則錨桿形成的錐形壓應力區域逐漸靠攏、相互疊加，最終連成一體，支護強度和安全性較高；但當錨桿密度增加到一定程度后，若再增加錨桿數量，則對形成連續有效的壓應力區域影響較小，屬于巷道過應力保護，浪費了支護材料，應力云圖如圖4 所示。

圖4 不同錨桿數量的應力云圖Fig.4 Stress nephogram of different bolt number

3 巷道支護的FLAC3D 模擬分析

為分析巷道端面應力分布情況，根據4302 工作面的鉆水孔勘測結果，結合地質力學參數，建立FLAC3D 模型[8]，使用差分法計算巷道應力分布，當頂板錨桿間距為950 mm，幫部錨桿間距1050 mm，分別取錨桿排距850、900、950 和1000 mm，巷道的應力云圖如圖5、圖6 所示。

圖5 排距850 mm 時的巷道應力云圖Fig.5 The stress nephogram of roadway with 850 mm row spacing

圖6 排距1000 mm 時的巷道的應力云圖Fig.6 Stress nephogram of roadway with row spacing of 1000 mm

當錨桿排距從850 mm 增大到1000 mm 時，在頂板區域內形成了壓應力區，初始壓應力值為0.04 MPa，且隨著錨桿排距的減小，預應力區域逐漸增大至0.06 MPa，但壓應力區呈逐漸分離的趨勢。當錨桿排距增大到1000 mm 時，壓應力區僅在錨桿尾部有少部分相連，其余部分已完成分離。隨著錨桿排距的增大，兩幫也形成一定的壓應力區，初始壓應力為0.02 MPa，且覆蓋整個支護區域，隨著錨桿排距的增加，壓應力覆蓋的支護區域逐漸減小，當錨桿排距為1000 mm 時，壓應力值為0.01 MPa，且壓應力區域已相互分離。綜上所述，巷道頂部和幫部的錨桿排距應取1000 mm。

4 結語

以小莊煤礦4302 工作面為研究對象，分析了巷道錨桿支護穩定性的影響因素，通過FLAC3D 軟件模擬分析，在保證巷道支護安全性的前提下，優化了錨桿的布置方式，盡量地減小了錨桿的數量，降低了巷道支護的成本，增加了煤礦效益，具有推廣意義。