矩形巷道支护预紧力对围岩稳定性的影响

刘国庆，王 磊，梁 明

(神木汇森凉水井矿业有限责任公司生产部，陕西 榆林 719300)

神木汇森凉水井煤矿3－1煤盘区南部巷道穿过风化带，顶底板岩石结构破碎，次生裂隙发育。设计巷道采用矩形断面，锚索网支护。本文采用数值模拟的方法，研究不同预紧力条件下，矩形断面巷道围岩稳定性的变化规律，从而获得最佳支护参数，以达到减少原材料消耗、缩短工序时间、降低劳动强度并提高经济效益的目的。

1 数值模拟分析

1.1 模型建立及参数选取

基于摩尔－库伦准则，采用FLAC3D数值模拟软件，模拟锚杆索预紧力对矩形巷道稳定性的影响，计算时，上边界施加0.12 MPa荷载，其余边界采用位移边界。

模型的主要岩层分布及力学参数选取见表1。

通过数值模拟研究，不同预紧力下巷道围岩的变形稳定情况，确定最优的锚杆索预紧力。根据凉水井煤矿对3－1煤巷道支护方案:采用d18 mm×2100 mm顶锚七七矩形布置，间排距为800 mm×800 mm，角锚杆倾角20°;6.5 m锚索1根，一二菱形布置，间排距 2.4 m ×1.6 m，每米 0.94 根，顶部挂钢筋网，每米挂网5.4 m2。采用上述参数建立的支护模拟计算模型，对锚杆索施加不同的预紧力方案(见表2)进行数值模拟计算。

表1 矩形巷道围岩力学参数表

表2 锚杆与锚索预紧力匹配模拟方案表

1.2 不同预紧力方案计算模型分析

对方案1～4进行数值模拟，得到不同预紧力条件下矩形断面巷道围岩稳定性变化情况。锚杆索不同预紧力情况下，巷道围岩典型应力场分布见图1，2，其破坏特征见图3，围岩变形规律见图4。

由图1可知，不同预紧力下巷道围岩垂直应力场分布规律相似，垂直应力集中区域主要位于巷道两帮。当施加预紧力为20 kN时，最大垂直应力为5.6 MPa;当预紧力为50 kN时，最大垂直应力为7.6 MPa。随着预紧力增大，最大垂直应力也随之增大且应力集中区域向巷道表面移近;随着预紧力的增大，顶底板的应力集中区域减小，并且在巷道表面出现了拉应力。

图2 不同预紧力下巷道围岩水平应力场分布图

由图2可知，随着预紧力提高，巷道顶板围岩水平应力集中区范围不断扩大，压应力值也随之增大，由于水平应力对巷道顶底板的挤压作用，可以抑制其变形。由于巷道两侧煤体岩性相对较弱，两帮集中分布着较大的水平应力。随着预紧力的增大，两帮的水平应力集中区域也明显减小。

图3 不同预紧力下巷道围岩破坏特征图

由图3可知，预紧力在20 kN时，围岩塑性区较大，最大可达到7 m;当预紧力施加30 kN预紧力时，围岩塑性区约5 m;当施加预紧力超过40 kN时，顶板塑性区范围明显缩小，控制在2 m以下，塑性破坏仅发生在巷道表面。巷道两侧为煤层，岩性较差，塑性区比顶板塑性区较大。说明施加足够的预紧力对于保持围岩的整体性非常重要。

图4 不同预紧力下围岩变形特征图

由图4a)可知，顶板下沉量随着预紧力的提高而减小。预紧力在20 kN增加到40 kN时，顶板下沉量减少了10 cm，变化效果显著，继续增加预紧力，预紧力对顶板变形的影响较小。

由图4b)可知，当锚杆预紧力为20 kN时，巷道两帮内敛严重，最大位移量达到25 cm;当增大到30 kN，位移量减小到15 cm;而预紧力超过40 kN时，两帮位移量已控制在8 cm以下。

由图4c)可知，锚杆预紧力大小对巷道底鼓影响较小，但随着预紧力的增大，巷道底鼓量仍有一定程度减小。而当预紧力大于50 kN时，底板变形量控制在12 cm。

综上所述，对不同预紧力下巷道围岩变形及破坏特征统计见表2。

2 结论

1)锚杆预紧力的大小影响巷道围岩稳定性。预紧力小于20 kN时，围岩变形较大，塑性破坏区范围达到7 m，锚杆未发挥主动支护的作用;当预紧力达到40 kN及以上时，塑性区范围控制在2.5 m内，主动支护作用显著。

表2 不同预紧力条件下围岩变形及破坏特征对比表

2)预紧力40 kN、50 kN时，对巷道顶板下沉、底鼓和两帮位移的控制效果相差较小。考虑经济、工效因素，建议3－1煤矩形断面巷道锚杆、锚索支护预紧力分别按40 kN、120 kN施加。

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