巷道錨桿支護參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

姚京京

（山西西山煤電集團西曲礦， 山西 太原 030000）

0 引言

在煤炭開采過程中，由于巷道圍巖變形過大，造成巷道失穩(wěn)，危害礦井工作人員的安全，在進行支護過程中，支護方案的合理性對于礦井經(jīng)濟效益十分重要[1-2]，一旦支護不當或者支護過當都會造成后續(xù)較大的經(jīng)濟浪費，所以合理的支護參數(shù)十分重要，此前較多學者基于原有支護方案進行過優(yōu)化研究，但由于礦井地質條件的不同，使得支護方案無法直接生搬硬套，所以只能作為參考[3-4]。

以某礦為研究背景，利用數(shù)值模擬軟件，對不同支護參數(shù)下巷道的圍巖狀況進行模擬研究，旨在選定合理的支護參數(shù)，為礦井安全及高效生產提供一定的保障。

1 模型建立

根據(jù)實際的地質情況，建立數(shù)值模擬模型，選用FLAC3D 進行模擬，F(xiàn)LAC3D 數(shù)值模擬軟件是二維的有限差分程序FLAC2D 的拓展，其能夠進行土質、巖石和其他材料的三維結構受力特性模擬及塑性流動分析。設計模型的尺寸為285 m（長）×300 m（寬）×200 m（高），對模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時，在巷道斷面附近進行略微的細化分，而對距離巷道斷面較遠位置進行粗劃分，網(wǎng)格劃分完成后共計有單元網(wǎng)格1 501 260，共計擁有節(jié)點1 578 375 個。對模型進行物理參數(shù)設定，物理參數(shù)設定根據(jù)礦井巖層實際測得的力學參數(shù)，對模型進行邊界條件設定，對模型的下部施加固定約束，避免模型向下移動，在模型的左右面施加左右的固定約束，對模型的前后面施加前后的固定荷載，避免模型的水平橫動，在模型的上端面施加均布荷載，荷載大小為11.45 MPa，完成模型的建立。

2 模擬分析

2.1 錨桿長度

錨桿長度錨桿的關鍵參數(shù)之一，錨桿長度影響錨固區(qū)范圍，錨桿過長過短均有一定的弊端。所以錨桿長度合理值十分重要。對錨桿長度為1 900 mm、2 200 mm、2 500 mm、2 800 mm 四種情況下巷道圍巖塑性區(qū)分布情況進行模擬，模擬云圖如圖1 所示。

圖1 不同錨桿長度下巷道塑性分布云圖

從圖1 可以看出，當錨桿長度為1 900 mm 時，此時的巷道頂幫錨桿均處于塑性區(qū)內，錨桿的錨固段大部分處于塑性區(qū)范圍內，此時的錨桿難以發(fā)揮支護能力；而當錨桿長度增大為2 200 mm 時，此時巷道的幫錨桿部分錨固段進入穩(wěn)定巖層，能夠發(fā)揮部分支護效果，巷道的頂錨桿的錨固段全部處于塑性區(qū)；當錨桿長度增大為2 500 mm 時，此時的幫錨桿錨固段達到穩(wěn)定巖層部分有了一定的增大，頂錨桿處于塑性范圍，而錨固段未進入穩(wěn)定巖層；繼續(xù)增大錨桿長度至2 800 mm 時，此時的幫錨桿進入穩(wěn)定區(qū)域的錨固段長度繼續(xù)增大，巷道的頂錨桿幾乎全部處于塑性區(qū)內。根據(jù)以上分析可以看出，當錨桿的長度大于2 200 mm 時，此時的巷道頂幫錨桿均能發(fā)揮一定的支護作用，支護效果能夠滿足要求，所以設計錨桿長度時應當大于2 200 mm。

2.2 錨桿間距

對錨桿的間距進行設計，錨桿的間距越大，支護越稀，反之支護間距越小，此時的支護越密，根據(jù)實際情況選定間距分別為750 mm、800 mm、850 mm、900 mm、1 000 mm 五種情況進行研究，五種支護間距下的巷道圍巖變形曲線如圖2 所示。

圖2 不同支護間距下的巷道圍巖變形曲線

從圖2 可以看出，隨著錨桿間距的增大，此時巷道兩幫及頂板的變形量均呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，而底板的變形量呈現(xiàn)與之相反的趨勢，同時觀察可以看出，巷道的變形量變化趨勢均呈現(xiàn)出緩慢到快速的過程，臨界點為間距900mm，所以當錨桿間距小于900mm時，即使進一步縮小間距，對于巷道變形量控制作用減弱；而當錨桿的間距大于900 mm 時，此時的巷道變形量會出現(xiàn)驟增，支護效果較差。綜合考慮可以得出，當錨桿間距為900 mm 時，此時的巷道控制效果與經(jīng)濟效益綜合分析最佳。

2.3 錨桿排距

錨桿排距同樣是錨桿支護的重要參數(shù)之一，合理的排距直接影響支護效果與成本。錨桿排距過大對于錨固區(qū)形成具有一定的影響，造成巷道圍巖變形過大，所以根據(jù)現(xiàn)有支護方案，設計模擬排距分別為700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm 四種情況，模擬結果如圖3 所示。

圖3 不同支護排距下的巷道圍巖變形曲線

從圖3 可以看出，隨著錨桿排距的增大，巷道兩幫及頂板的變形量均逐步增大，底板的變形量呈現(xiàn)與之相反的趨勢，同時巷道的變形量隨著排距的增加呈現(xiàn)出緩慢到快速的過程，臨界點的排距為900 mm，當錨桿的排距小于900 mm 時，此時就進一步縮小間距，雖然能夠減緩巷道圍巖的變形，但減小幅度較排距900 mm之前有所減弱，而當錨桿的排距大于900 mm時，此時巷道的變形量較排距小于900 mm 會有較大幅度的增加，此時的支護效果較差，巷道的穩(wěn)定性無法得到保證。綜合考慮可以得出，當錨桿排距為900 mm 時，此時的巷道控制效果與經(jīng)濟效益綜合分析最佳。

4 結論

1）利用數(shù)值模擬軟件對不同錨桿長度下巷道圍巖塑性區(qū)分布情況進行模擬研究，發(fā)現(xiàn)當錨桿的長度大于2 200 mm 時，此時的巷道頂幫錨桿均能發(fā)揮一定的支護作用，支護效果能夠滿足要求，所以設計錨桿長度時應當大于2 200 mm。

2）對不同錨桿間距下巷道圍巖變形進行分析，確定當錨桿間距為900 mm 時，此時的巷道控制效果與經(jīng)濟效益綜合分析最佳。

3）對不同排距下巷道圍巖變形進行分析，發(fā)現(xiàn)當錨桿排距為900 mm 時，此時的巷道控制效果與經(jīng)濟效益綜合分析最佳，所以最佳間排距為900 mm、900 mm。