丁集矿1262(1)运输顺槽锚杆支护数值模拟分析

赵一鸣

丁集矿1262(1)运输顺槽锚杆支护数值模拟分析

赵一鸣

(中国矿业大学矿业工程学院;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

本文以丁集煤矿1262(1)工作面运输顺槽为研究对象，为确定合理的锚杆支护参数，采用FLAC2D4.0模拟分析了不同锚杆长度、不同顶板锚索个数以及帮部支护是否采用锚索梁对巷道稳定变形的影响。研究结果表明，对于类似深部巷道只有通过加长锚杆长度、增加顶板锚索数量和强化帮部控制，继而达到加大锚杆锚固区范围，提高巷道顶板承载能力和围岩完整性的目的，才能实现深部巷道的长期稳定。

锚杆支护;数值模拟;帮部;锚索

1 工程概况

丁集矿井位于安徽省淮南市西北部，距淮南市洞山约50 km，行政区划隶属淮南市潘集区和凤台县境内。1262(1)工作面地面标高 +22.73～ +23.38 m，工作面标高－840～－895 m，走向长2 677 m，倾斜长253 m，钻孔及实见揭露11－2主采煤层煤厚为1.2～3.37 m，平均厚2.6 m，煤层倾角0 ～6°，平均3°，由东北向西南煤层有增厚趋势。顶底板各发育一薄煤层，分别为11－3煤和11－1煤。煤层顶底板情况见表1，正常掘进受煤层老顶砂岩和底板第一层砂岩两个含水层的影响，围岩强度较低，巷道开挖后形成的围岩塑性区较大。

2 模型建立及模拟方案

该巷道曾采用U型棚支护及普通锚杆支护，支护效果均较差，无法保证巷道正常通风及行人断面，同时U型棚支护影响后期工作面的快速高效回采，必须改用“三高”锚杆进行支护［1－4］。已有的现场施工显示，11－2主采煤层的2.7 m厚的直接顶及11－3煤线松散破碎，开挖后无自稳能力，随掘随冒，因此巷道顶板需沿11－3煤层顶板布置，见图1。

表1 煤层顶底板情况描述表

2.1 模型建立

采用FLAC2D4.0有限差分软件对巷道围岩特征进行数值模拟，以确定合理的支护方案与支护参数［5－6］。首先以1262(1)运输顺槽围岩覆存条件建立对应的数值分析模型，如图2所示，模型顶部采用应力约束，左、右及底部采用位移约束。选取的巷道围岩的相关物理力学参数见表2。

图1 巷道断面掘进层位示意图

表2 煤岩体力学参数

图2 数值模拟模型图

2.2 模拟方案

结合现场的实际情况及类似巷道支护参数，决定采取如下的模拟方案：

方案1：比较不同长度锚杆的支护效果，通过应力分布特征、围岩变形速度及位移量的比较，确定最优的锚杆长度。

方案2：比较顶板采用2根锚索及3根锚索的条件下顶板变形特点及对巷道围岩的影响。

方案3：比较帮部施工锚索梁及不施工锚索梁的情况下，围岩变形的特征和差异大小。

通过3个方案的比较，得出不同条件下巷道围岩的应力分布状态、围岩变形速度及位移量，确定最终的支护方案。

3 模拟结果分析

3.1 开巷影响分析

巷道掘进后围岩弹塑性区域分布图见图3。

图3 巷道掘进后围岩弹塑性区域分布图

由图3可以看出，巷道顶部两肩角及帮部出现较大范围剪切应力塑性区，巷道底板同样为剪切应力塑性区;而顶板及两帮中部为拉伸应力区，其余区域均为弹性区域或已经屈服的弹性区域。巷道开挖后垂直位移图见图4。

图4 巷道开挖后垂直位移图

由图4可以看出，巷道顶板中部的垂直位移最大达到450 mm左右，帮部移近量达到500 mm左右，巷道基本处于失稳状态。

3.2 不同锚杆长度效果模拟

采用 2.2 m、2.5 m、2.8 m 锚杆围岩垂直应力分布图见图5，图6，图7。

图5 采用2.2 m锚杆围岩垂直应力分布图

由图5～图7中的对比可知，采用2.2 m锚杆围岩垂直应力集中范围更广，应力集中程度更大，采用2.5 m锚杆围岩垂直应力分布与采用2.2 m锚杆时变化不大。而采用2.8 m锚杆能显著改变围岩应力集中程度，改善围岩应力场的分布，更好地控制巷道围岩稳定。同时根据大量模拟结果显示，帮锚杆加长后将可以非常显著的控制两帮变形;同时帮部锚杆从1.8 m增加到2.5 m时，底鼓量有一个明显的降低，但对顶板下沉影响不大。

3.3 不同顶板锚索效果模拟

不同数量顶板锚索支护时巷道顶板变形量见图8。

图8 不同数量顶板锚索支护时巷道顶板变形量

顶板2根锚索时围岩塑性区分布图见图9，图10。

由图8～图10可知，顶板采用不同数量锚索时，虽然只是增加了1根锚索，但顶板下沉量减少了25%左右。顶板采用不同数量锚索时，围岩塑性区分布明显不同。采用2根锚索时，巷道顶板塑性区范围显著大于采用3根锚索时。同时巷道顶板的稳定性对巷道底板的应力分布也有明显影响，采用3根锚索时，巷道底板塑性区只是采用2根锚索时底板塑性区的1/2大小。巷道顶板增加1根锚索，不仅增强了巷道顶板的稳定性，同时改善了巷道底板围岩的应力分布特征，增强了对巷道底板的控制，有利于巷道的长期稳定维护。

3.4 帮部锚索梁支护效果模拟

帮部有无锚索梁时巷道两帮移近量比较见图11。

图11 帮部有无锚索梁时巷道两帮移近量比较

帮部无锚索梁时、帮部采用锚索梁时围岩塑性区分布图分布见图12，图13。

由图11～图13可知，巷道帮部采用锚索梁支护时，巷道帮部变形量减少了30%左右，同时对巷道顶底板的塑性区分布也有很大的改变。由于帮部支护强度的提高，改善了帮部围岩的应力分布特点，对巷道顶底板的维护也有重要意义。

4 小结

本巷道埋深大，属于典型的深井煤巷支护问题，在高垂直应力的存在的情况下，水平应力的剪切作用也将非常剧烈，而且巷道高度较大，通过以上模拟，可以得出如下结论：

1)由于11－2煤层顶板为厚层复合顶板，主要是泥岩或煤线等整体性非常差的岩层，较短的锚杆在控制巷道稳定性方面效果较差，而帮部的稳定又十分重要，因此，为有效控制巷道帮部侧压，防止过量变形鼓出，故应适当加长锚杆长度，根据数值模拟结果分析，并考虑到现场施工的具体条件以及控制最终的巷道变形，帮部锚杆长度采用2.5 m，顶板锚杆长度采用2.8 m，力求加大锚杆锚固区范围。

2)由于煤层强度较低，需通过控制巷道帮部变形来达到减小顶板下沉及底鼓的发生，保持巷道的长期稳定维护，帮部应采用沿巷道走向锚索梁以控制巷道围岩变形。

3)应控制好巷道的形状及尺寸，保持顶板的完整性。提高巷道顶板的承载能力和完整性，支护形式应具有及时主动承载、整体性强的特点，及时有效地控制巷道变形，使巷道在最大程度上满足生产上的需要。

［1］ 张 农，高明仕.煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用［J］.中国矿业大学学报，2004(9)：524－527.

［2］ 张 农，侯朝炯.深井三软煤巷锚杆支护技术研究［J］.岩石力学与工程学报，1999(18)：51－55.

［3］ 张 农.泥质巷道围岩控制理论与实践［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2011：22－23.

［4］ 康洪普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2007：47－48.

［5］ 吴新生，李哲林.软岩巷道锚杆支护效果的数值模拟研究［J］.矿业研究与发展，2000，20(1)：24－27.

［6］ 杨百顺，张 农.深部煤巷锚杆支护的数值模拟与应用［J］.煤矿安全，2007(11)：30－32.

Numerical Simulation Analysis of Bolt Supporting in 1262(1)Haulage Roadway of Dingji Colliery

Zhao Yi－ming

Taking the 1262(1)haulage roadwya of Dingji colliery as the main object of study，in order to determine the reasonable supporting parameters，FLAC2D4.0 numerical simulation software was used to analysis the stability and deformation of the gate with different bolt length，different roof anchor cable quantity and install or not install Cable－beam on gate sides.The research result indicates that the deep roadway can be achieved long term stability through increase the bolted zoom，improve the bearing capability of roof and the integrity of roadway rock mass，the usual manner，such as prolonged the bolt length，increase the roof anchor cable quantity and install Cable－beam on gate sides，can be taken.

Bolt supporting;Numerical simulation;Roadway sides;Anchor cable

TD353+.6

A

1672－0652(2012)02－0010－04

2012－01－15

国家重点基础研究发展计划资助(2007CB209408);国家自然科学基金青年科学基金(51104152)

江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(CX09B_118Z)

赵一鸣(1981—)，男，河南驻马店人，2008年中国矿业大学在读博士研究生，主要从事巷道围岩控制理论及技术的研究

(E － mail)zhaoyiming001@gmail.com