近距离煤层巷道锚杆锚索联合支护参数数值模拟研究

余 银，孙占成，孟国胜，侯振胜

（1.大同煤矿集团有限责任公司挖金湾煤业公司，山西大同 037042；2.大同煤矿集团有限责任公司马脊梁煤矿，山西大同 037027）

近距离煤层巷道锚杆锚索联合支护参数数值模拟研究

余 银1，孙占成1，孟国胜2，侯振胜1

（1.大同煤矿集团有限责任公司挖金湾煤业公司，山西大同 037042；2.大同煤矿集团有限责任公司马脊梁煤矿，山西大同 037027）

基于甘庄煤矿近距离煤层巷道锚杆锚索联合支护参数设计，从近距离煤层巷道围岩实际及本矿巷道支护现状出发，采用MIDAS/GTS数值模拟，分析了近距离煤层巷道围岩位移、应力分布及破坏范围；研究了不同因素对巷道围岩变形与破坏的影响，设计得出合理的支护参数，进而提高锚杆锚索联合支护参数设计的科学合理性及实用可靠性，进一步发挥锚杆支护技术的潜力，为近距离煤层巷道支护提供理论依据及技术支持。

近距离煤层；煤巷；锚杆锚索联合支护；支护参数；MIDAS/GTS数值模拟

近距离煤层条件下，下层开采受上层煤层条件及开采情况影响较大，下层巷道围岩位移、应力及破坏范围分布、支护体受力状况有其显著特点［1］，需要采用先进的方法设计近距离煤层巷道支护参数。数值模拟法可以模拟复杂的边界条件和各种断面形状巷道的应力场、位移场，以及进行多方案对比，具有模拟结果直观、形象，便于分析等优点［2-3］。通过数值模拟法得出的支护参数更符合煤矿巷道复杂多变的地质条件，参数设计的可靠性、合理性和科学性得到显著提高［4］。

甘庄煤矿8#煤层与7#煤层层间距小，为典型近距离煤层。8#煤层采用锚杆支护回采巷道，研究针对巷道支护存在的问题，采用先进的数值模手段确定出更加科学合理的支护参数，以保证安全生产。

1 工程概况

甘庄煤矿8#煤层结构简单，煤层厚度1.34～2.51m，平均1.78m，有时含1层泥岩薄层夹矸，煤层直接顶为中细砂岩或粉砂岩，底板为粉砂岩、砂质泥岩。8#煤层为井田内稳定的可采煤层。7#煤层与8#煤层层间距在5.50～6.50m之间，为近距离煤层。8#煤层综合柱状图，见图1。

工程施工地点为8#煤层303盘区5301回风巷，该巷为全煤矩形巷道，见顶起底掘进。采用锚杆、锚索联合支护。根据钻孔窥视分析［5］，该巷整体在未受到上层开采造成的固定支承压力影响区域，顶板5.50m以下完整、致密，没有明显的离层；在受到7#煤层开采造成的固定支承压力影响区域，顶板下沉达0.5m左右，直接顶破碎冒落，离层严重。从现场调研的情况看，8#煤层巷道支护效果不理想，压力集中地段巷道顶板下沉破碎严重，锚杆失效，锚索拉断，巷道顶板下沉较大，存在很大的安全隐患。需要对支护参数进行深层次分析。

图1 煤层综合柱状图

图2 计算模型及网格划分图

2 支护参数MIDAS/GTS数值模拟

2.1 数值模型的建立

MIDAS/GTS（Geotechnical and Tunnel analysis System）软件是用于分析岩土与隧道结构常用的有限元软件，可以建立三维空间模型，能够很好地考虑结构和岩土的相互作用。数值模型采用各向同性三维非线性有限元地层-结构模型［6］。

根据8#煤层条件、实验测定得到的岩石力学参数［5］（见表1）及数值模拟建模原则建立8#煤层5301回风巷支护计算模型，见图2。三维数值计算模型尺寸为长×宽×高=32.2m×20m×50m，5301回风巷巷道为宽×高=4.20m×2.40m，共划分24 420个6面体单元。

表1 模型力学参数表

2.2 模拟方案

针对8#煤层5301巷实际情况，主要模拟内容有：锚杆直径分别为16mm，18mm，20mm）；锚杆长度分别为1.6m，1.8m，2.0m；锚杆密度分别为800mm×800mm，900mm×900mm，1 000mm×1 000mm；锚固长度分别为端部锚固（锚固长度不大于500mm或不大于孔长的1/3）、全长锚固（不小于孔长的90％）、加长锚固（介于2者之间）；锚杆角度分别为0°，10°，15°；锚索根数（间距）：每排锚索数为1，2，3根；锚索排距的影响：2m，3m；锚杆、锚索预紧力。50kN，150kN。

3 模拟结果分析

3.1 模拟结果判定准则

针对8#煤层的围岩情况，按照模拟设计方案，组合了不同的锚杆支护形式。模拟过程中对支护效果的判断主要依据顶板下沉量，关键确定顶板下沉离层界限。顶板离层界限一直很难量化，对于锚杆、锚索联合支护的巷道，用锚索有效拉伸段的变形能力来衡量，作为顶板离层界限的参考数值。

锚杆锚索联合支护条件下顶板离层界限可按下式计算：

SC＝（l0-lc-lh）δsinα

式中：SC-顶板最大离层量，mm；

l0，lc-锚索索体、外露长度，mm；

lh-锚索锚固段长度，mm；

δ-锚索索体材料延伸率；

α-锚索安装角度（与水平线夹角）。

本矿现用锚索为小孔径树脂锚固预应力锚索，直径15.24mm，延伸率为3.5％，按巷道安装锚索长度5 000mm考虑，外露长度300mm，锚固长度1200，则顶板离层界限为：

3.2 不同支护参数对支护效果的影响分析

（1）锚杆长度

模拟计算中1.8m长度锚杆预应力场分布见图3，可以看出，随着锚杆长度的增加，压应力区范围与厚度逐渐增大，锚杆作用范围也相应扩大。但锚杆长度中上部分的压应力减小，两锚杆之间中部围岩的压应力减小。结合现场支护状况锚杆长度选择1.8m，能满足生产安全要求。

图3 长度1.8m锚杆预应力分布图

图4 间距1.4m锚杆预应力场分布图

图5 间距0.9m锚杆预应力场分布图

（2）锚杆密度

锚杆密度涉及排距与间距。图4，图5为不同锚杆间距锚杆预应力场分布。比对两图可以发现，间距0.9m锚杆间形成的压力带彼此重合，构成了有效的支撑结构，因此，支护效果应该相对好一些，锚杆支护密度选择900mm×900mm。

（3）锚杆角度对支护效果的影响

锚杆不同支护角度预应力场分布如图6，图7所示。当顶板角锚杆垂直布置时，角锚杆与中部锚杆形成的有效压应力区相互连接与叠加，在顶板中形成厚度较大、分布均匀的压应力区。此时，锚杆预紧力扩散与叠加效果最好。随着顶板角锚杆角度的增加，角锚杆中部锚杆形成的有效压应力区逐步分离，当顶板角锚杆角度达30°，两个压应力区明显分离，锚杆成为彼此独立的支护单元，整体作用受到严重影响。所以，顶板锚杆垂直布置最合理，如果需要施工一定角度，最好不超过10°。

图6 锚杆垂直布置

图7 锚杆倾斜30°布置

（4）锚索根数（间距）

(2)导致被拐卖、绑架的妇女、儿童被转移、隐匿、转卖，不能及时进行解救的。这是指由于负有解救职责的国家机关工作人员未能及时采取解救行动，而导致被拐卖、绑架的妇女、儿童被转移到其他地方，或者被隐藏起来，或者又被卖到其他地方，使解救工作失去时机或者线索而无法及时进行解救。对这一情形，在司法认定上与前述情形基本相同，在此不再赘述。

图8，图9为锚索的预应力为100kN以上条件下每排1～2根锚索形成的预应力场分布。比对两图可以得出如下结论：①单根锚索在其周围形成类似“心”形的压应力场分布区域，压应力在锚索尾部附近最大，锚固起始处次之，锚索自由段中部较小；②随着后排锚索根数增加，单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加，锚索之间的有效压应力区扩大，并连接成一体，形成类似“鼓”形的整体支护结构；③当每排锚索数增加到一定程度，再增加密度，对有效压应力区扩大、锚索预应力扩散作用的影响不明显。根据模拟效果分析和8#煤层巷道支护现状调查，在正常支护段采用2根锚索补强支护。

图8 一根锚索形成的预应力场分布

图9 二根锚索形成的预应力场分布

（5）锚索排距对支护效果的影响

不同锚索排距形成的预应力场分布，见图10，图11。从图中可知：①当锚索排距较大时，单根锚索形成的预应力区彼此孤立，锚索的主动支护作用不明显；②随着锚索排距缩小，单根锚索形成的压应力区逐渐靠近、相互叠加，锚索之间的有效压应力区扩大；③当锚索排距缩小到一定程度，再缩小排距，对有效压应力区扩大、锚索预应力扩散作用的影响变化不明显。结合8#煤层巷道支护实际情况，锚索排距采用2m。

图10 排距1m形成的应力场

图11 排距2m形成的应力场

（6）锚杆预紧力

预应力50kN，垂直巷道轴线截面垂直应力分布，见图12。从图中可知，在锚索尾部出现了明显的应力集中现象，随着深入顶板远离锚索尾部，压应力迅速减小。在锚索锚固起始端也出现了应力集中现象，但应力集中程度与范围均较小。同时，锚索锚固端出现了较大范围但应力值很小的拉应力区。

图12 预应力50kN形成的预应力场

图13 预应力150kN形成的预应力场

预应力150kN为垂直巷道轴线截面垂直应力分布，见图13。从图中可知，在锚索尾部出现了很大的应力集中现象，随着深入顶板远离锚索尾部，压应力迅速减小。在锚索长度一半左右的范围内形成了应力值大于0.04MPa的压应力区，有效压应力区覆盖了锚索自由段作用的整个范围，近零应力区大幅度缩小。

通过上述模拟结果比较可以发现，锚杆预紧力为50kN时，巷道的支护效果最佳。

（7）锚杆直径及锚固方式

3.3 模拟结果综合分析

根据对比分析5301回风巷支护锚杆选取直径为18mm，长度为1 800mm，锚杆密度为900×900mm，靠近两帮锚杆垂直于巷道上表面，预紧力为50kN时，巷道的支护效果最佳，沉降量最小且小于57mm。综合模拟结果，见图14，15，16。

图14 巷道支护后总位移云图

图15 巷道竖向应变云图

从图14中可以看出，8#煤层与7#煤层层间距小，5301巷道整体位移分布以巷道上表面中部为起点向上逐渐减小分布，直至7#煤层中。5301巷道断面的位移变形区域主要集中在两帮和上表面中部，该断面两帮变形是延着两帮的中线对称分布的，这是由于该巷道断面上半部分位于岩石力学性质强度较低的7#煤层中，会出现局部较大变形，最大变形量达到57mm，但是范围很小，而该巷道上表面的位移在锚杆的控制下最大处也约为53mm，总体支护效果良好。

从图15来看，5301巷道在开挖后，经过锚杆支护，在被破坏了原岩应力的情况下，受自重和附加的锚杆的预应力，总体应力分布随埋深逐渐增大，但在巷道断面附近应力分布和其它区域有明显不同，在巷道上表面和两帮相交的直角部分出现了明显的应力集中，极值为1 900KPa，同样出现了边界效应。

图15为5301巷竖向应变云图，从图中可清楚的看到巷道开挖断面附近区域竖向应变变化较大，且以断面的中轴线成对称分布，其中极值出现在巷道两帮靠近底板的部分，而另一应力相对比较大的区域出现在巷道上表面，由于与7#煤层距离近，有一个梯形分布的应变区域。

综上分析可得，8#煤层303盘区5301回风巷锚杆、锚索联合支护参数设计，见图17。

图17 8号煤层5301巷道支护参数

4 补充建议

为了保证锚索锚固位置在稳定岩层，应根据顶板变化情况适时调整锚索长度。由于7#煤层与8#煤层间距较小，8#煤层巷道局部地段受到了7#煤层开采形成的支承压力的严重影响，需要对局部低端加强支护，可采取以下几项加强措施：

⑴增加W型钢带。在8#煤层压力影响带建议使用BHW-220-2.50型钢带，以增强支护效果。

⑵增加锚索支护密度。在受对压力影响地段，由于压力大，顶板已经全体的下沉、离层，锚杆锚索支护已经不是传统意义上的悬吊作用，主要是组合梁作用。锚索长度仍为5.0m，增加锚索密度为间距1.0m，排距2.0m（每排3根，排距2.0m），以维护巷道顶板的整体性和保证较高的支护强度。

⑶必要时增加金属棚子加强支护，加强支护效果观察监测力度。

5 结论

1）采用MIDAS/GTS数值模拟对近距离煤层5301回风巷支护情况进行了综合分析，得出了更加准确实用、科学合理的锚杆锚索联合支护参数，解决了甘庄煤矿当前支护存在的问题，为近距离煤层巷道支护提供理论依据及技术支持。

2）本次数值模拟涵盖面广，支护参数全面，对不同支护参数下的支护效果分析形象快速，提高了支护设计水平及质量。

3）针对甘庄煤矿近距离煤层实际，提出了补充建议，完善了整体支护体系。值得大力推广应用。

［1］何满朝，袁和生.中国煤矿锚杆支护基础理论［M］.北京：煤炭工业出版社，2004.

［2］康红普.回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析［J］.岩石力学与工程学报，1999，18（5）：497-502.

［3］施建俊，孟海利，汪旭光，等.数值模拟在矿山的应用［J］.中国矿业，2004，12（8）：78-82.

［4］张金山，孟国胜，王英旭，等.综采工作面回采巷道锚杆支护设计［J］.山西焦煤科技，2011（12）：4-8.

［5］山西大同大学采矿工程研究所.山西中新甘庄煤业有限责任公司煤巷锚杆锚索支护参数研究报告［R］.甘庄煤矿，2012（2）：26-28.

［6］彭文斌.MIDAS/GTS实用教程［M］.北京：机械工业出版社，2012.

〔责任编辑 石白云〕

Study of Numerical Simulation about Supporting Parameter of Bolt aud Cable Suppot in the Distance Coal Seam

YU-Yin1，SUN Zhan-cheng1，MENG Guo-sheng2，HOU Zhen-sheng1
（1.Wajinwan Colliery Company，Datong Coal Mine Group Corporation Ltd，Datong Shanxi，037042；2.Majiliang Coal Mine，Datong Coal Mine Group Corporation Ltd，Datong Shanxi，037027）

Based on bolt and cable support parameters design about close coal seam in the Ganzhuang coalmine，starting from the actual distance seam roadway for themine roadway support the status quo，by MIDAS/GTS numerical simulation，analysis distance seam roadway fordisplacement，stress and the extent of damage distribution，supporting the body force status；different factors impact on the surrounding rock deformation and failure of different support parameters supporting effect；through the program，determine reasonable support parameters.Designed to improve the bolt and cable support parameters scientific rationality and practical reliability，and further play to the potential of bolting technology the，close coal seam support care to provide a theoretical basis and technical support.

distance coal seam；coal tunnel；bolt aud cable-based suppot；suppoting parameter；MIDAS/GTS numerical simulation

TD322+.1

A

1674-0874（2012）06-0063-06

2012-10-06

余银（1967-），男，山西应县人，工程师，研究方向：煤矿安全技术管理。

book=68,ebook=73