42108工作面回风顺槽锚杆（索）支护设计分析

摘 要：以凉水井煤矿42108工作面回风顺槽为工程依托，进行巷道锚杆（索）支护设计，并用FLAC3D进行数值模拟分析，对支护前及支护后的围岩移动及应力分布等围岩稳定性指标进行对比分析，结果显示采用文章提出的锚杆（索）支护方式能够有效减少围岩移动量，避免应力分布过分集中，结果显示该支护方案能够有效保持围岩稳定性，为相似工程提供了理论及实践依据。

关键词：锚杆支护；模拟分析；FLAC3D；冒落拱理论

引言

在工作面回采过程中，巷道在采动影响下，围岩受到明显扰动，使得巷道产生明显变形量，甚至造成围岩破坏，大大降低围岩稳定性[1-3]。锚杆（索）支护方式具有工艺简单、安装速度快、效率高、劳动强度低、成本低等优点，并且可以有效提高巷道围岩稳定性，从而能够充分保障巷道安全性，是应用最为普遍和成熟的巷道支护技术[4]。

凉水井煤矿地处榆神矿区二期规划区的西北部，矿井北接神府矿区，南邻西包铁路，西与锦界煤矿毗邻，年产量400万吨。凉水井煤矿421盘区的42108工作面宽度240m，走向长度为4045m，开采的4-2煤平均厚度约为3m，采用综合机械化采煤方法。文章中作者根据42108工作面工程地质条件进行巷道锚杆支护设计，并应用FLAC3D对支护前及支护后的围岩稳定性进行分析，为相似工程提供了理论及实践依据。

1 工程概况

凉水井煤矿42108回风顺槽断面设计主要为矩形，巷道平均埋深190m。该工作面回风顺槽顶板为层状复合顶板，煤层上岩体为软硬交替层状岩石，其中有少量夹矸，夹矸平均厚度为0.15m。巷道顶板直接顶为泥岩，老顶为砂岩，老顶单轴抗压强度Rc=23MPa，抗拉强度Rt=23MPa。老顶岩性为上部粗砂岩，下部细砂岩，岩体中含石英，长石及云母。直接顶泥岩平均为1.9m，含植物化石及黄铁矿结核。直接底为粉砂岩，平均厚为1.5m，灰色、灰黑色，硬度中等，夹石英砂岩薄层。老底为粉砂岩加石英砂岩，平均厚度为11.43m，灰色，黑灰色，粉砂岩、石英砂岩互层，硬度中等，为石英砂岩时硬度较硬，含植物化石及含黄铁矿结核。巷道顶板各层岩层的物理力学性质如表1、2所示。

表1 凉水井煤矿42108工作面煤层顶底板情况

表2 巷道顶板各岩层的物理力学参数表

2 锚杆（索）支护设计

2.1 冒落拱高度计算

主要依据非弹性区理论和组合拱理论进行设计计算[5-6]

巷道宽B=5.5m，半跨a=2.75m，高h=3.5m，等效圆半径

则不支护时煤巷内部最大非弹性区半径R0为：

式中：P为累计地应力19023=1.37MPa.

则两帮非弹性区深度：a1=2.38-1.75=0.63m，

顶部非弹性区深度：

a2=2.38-3.26/2=1.63m

冒落拱高度：

b=■=1.65m，

2.2 顶锚杆参数设计

顶板采用？椎18的左旋螺纹钢锚杆，屈服强度为65kN。选取锚杆排距为 ，顶板冒落拱内锚杆承受煤体的重量：

G=？酌×D×S

式中：？酌为顶板岩体容重；S为冒落拱包络线内岩体截面积；D为锚杆排距。

代入数据，考虑动压影响系数得：

G=k1×？酌×D×S

式中：k1为动压影响系数。

取动压系数为2.0，则：

G=0.0184×2.0×1×3.3×1.8=218.6kN

则每排锚杆的根数n为：

n=■=3.36

因此，选取锚杆根数为n=4，则锚杆间排距为900×1000mm。

锚固长度：

La=■

式中：P-锚杆设计拉拔荷载；K-安全系数；D-钻孔直径；？子r-锚杆锚固端与岩体间的粘结力。

则锚固长度为：

单根锚杆锚固时所需锚固剂的根数为：

式中： la-每根锚固剂的长度。

2.3 帮锚杆参数设计

根据理论计算结果对凉水井煤矿42108回风顺槽帮部锚杆的支护参数选取方案为：两帮各三根锚杆，？椎18×1800mm型左旋螺纹钢锚杆，间排距为900×1000mm，设计锚固长度1200mm （注：1根长600mm）。

2.4 锚索参数设计

锚索的作用主要是根据悬吊理论将锚杆所锚固的组合梁悬吊于顶板深部较稳定岩层。顶锚杆长度1.62m，设锚索承重范围超出锚杆0.25m，锚索排距为2.0m，则锚索所承受的上部岩体重量为：

G=？酌·S·D=0.0184×（3.3+0.25×2）×1.8×2.0=347.8kN

直径？椎17.8mm钢铰线，屈服强度为280kN，则每排锚杆的根数n为：

n=■=1.242

则每排选用2根，其锚固长度：

取锚固长度2.0m，顶索长度由下式计算：

L索=La+Lb+Lc

式中：Lc-锚索外露长度，取0.3m；Lb-锚索的自由段长度，取3.2m。

根据地质条件，直接顶最大厚度为3.8m。老顶作为锚索的锚固点，因此，顶板锚索长度为：

L索=2.0+3.8+0.3=6.1m

综上所述，对42108回风顺槽理论计算所得锚杆（索）支护参数优化方案如下：（1）锚杆。顶部4根锚杆，？椎18×2000mm型左旋螺纹钢锚杆，间排距为900×1000mm，锚固长度1200mm（注：单根锚固剂长600mm），靠近两帮的两根锚杆与水平呈45°进行锚固，预紧力43KN；巷道两帮各3根锚杆，？椎18×1800mm型左旋螺纹钢锚杆，间排距为900×1000mm，锚固长度1200mm（注：单根锚固剂长600mm），预紧力为30KN。（2）锚索。取锚索长度为6.5m，锚固长度为1.8m（注：单根锚固剂长600mm），锚索间排距为1.6×3m，预紧力为100KN。凉水井煤矿42108回风顺槽锚杆（索）支护参数优化如图1所示。endprint

图1 42108回风顺槽支护设计图

3 支护效果数值模拟分析

针对凉水井煤矿42108工作面回风顺槽的地质采矿条件，根据采矿工程问题特点，利用FLAC3D模拟软件，建立了合理的数值分析模型分别对支护前及支护后的巷道围岩变形及应力分布进行模拟分析[7-8]。模拟结果如图2-图7所示。

图2 无支护竖向位移分布云图

图3 无支护横向位移分布云图

图4 无支护竖向应力分布云图

图5 支护条件下竖向位移分布云图

图6 支护条件下横向位移分布云图

图7 支护条件下竖向应力分布云图

通过数值模拟分析可以得出，巷道在没有采取支护措施时，顶板下沉量达到了35.5mm，采取支护措施后顶板下沉量18.3mm，减少了48.5%。而两帮位移量减少了50.6%；巷道在未采取支护措施时竖向应力分布过于集中，不利于保持围岩稳定，采取支护措施后顶板中竖向最大应力为0.67-1MPa，抛物线分布，在支护作用下，煤柱应力在两帮煤柱中分布范围加大，最大应力8.35MPa，避免了因应力集中而引起煤体破坏。根据巷道在优化前后支护条件下数值模拟结果的对比分析可以看出42108工作面回风顺槽在支护条件下巷道变形明显减小，而且有效优化了应力分布，说明采用新的支护参数有效的维护了巷道的稳定性，达到了预期目标。

4 结束语

文章以凉水井煤矿42108工作面回风顺槽为背景，以冒落拱理论为基础，利用相关理论进行巷道锚杆（索）支护设计，并用FLAC3D进行数值模拟分析，对支护前及支护后的围岩移动及应力分布等围岩稳定性指标进行对比分析，结果显示采用文章提出的锚杆（索）支护方式能够有效减少围岩移动量，避免应力分布过分集中，从而能够有效保持围岩稳定性。

参考文献

[1]钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，1991.

[2]曹秀龙.煤矿巷道锚杆支护质量的影响因素分析[J].能源与节能，2014（04）：54-55+80.

[3]陈德良.矿建工程巷道掘进锚杆支护技术分析[J].技术与市场，2014（04）：103+105.

[4]张蕾，张志明，蔡健.巨厚煤顶巷道锚杆支护参数优化[J]. 煤矿安全，2014（04）：183-186.

[5]黄健.关于深井巷道围岩控制与支护技术的探讨[J].科技创业家，2014（07）：104.

[6]孙长春.小纪汗煤矿首采工作面锚杆支护设计与应用[J].煤炭与化工，2014（01）：93-96.

[7]康红普，林健.煤巷锚杆支护成套技术在潞安矿区的应用[J].煤炭学报，2001，26（增）：106-110.

[8]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国利水电出版社，2009.

作者简介：王磊（1986-），男，陕西富平人，助理工程师，现任神木汇森凉水井矿业有限责任公司地质测量部经理，从事煤矿地质测量管理工作。endprint

图1 42108回风顺槽支护设计图

3 支护效果数值模拟分析

针对凉水井煤矿42108工作面回风顺槽的地质采矿条件，根据采矿工程问题特点，利用FLAC3D模拟软件，建立了合理的数值分析模型分别对支护前及支护后的巷道围岩变形及应力分布进行模拟分析[7-8]。模拟结果如图2-图7所示。

图2 无支护竖向位移分布云图

图3 无支护横向位移分布云图

图4 无支护竖向应力分布云图

图5 支护条件下竖向位移分布云图

图6 支护条件下横向位移分布云图

图7 支护条件下竖向应力分布云图

通过数值模拟分析可以得出，巷道在没有采取支护措施时，顶板下沉量达到了35.5mm，采取支护措施后顶板下沉量18.3mm，减少了48.5%。而两帮位移量减少了50.6%；巷道在未采取支护措施时竖向应力分布过于集中，不利于保持围岩稳定，采取支护措施后顶板中竖向最大应力为0.67-1MPa，抛物线分布，在支护作用下，煤柱应力在两帮煤柱中分布范围加大，最大应力8.35MPa，避免了因应力集中而引起煤体破坏。根据巷道在优化前后支护条件下数值模拟结果的对比分析可以看出42108工作面回风顺槽在支护条件下巷道变形明显减小，而且有效优化了应力分布，说明采用新的支护参数有效的维护了巷道的稳定性，达到了预期目标。

4 结束语

文章以凉水井煤矿42108工作面回风顺槽为背景，以冒落拱理论为基础，利用相关理论进行巷道锚杆（索）支护设计，并用FLAC3D进行数值模拟分析，对支护前及支护后的围岩移动及应力分布等围岩稳定性指标进行对比分析，结果显示采用文章提出的锚杆（索）支护方式能够有效减少围岩移动量，避免应力分布过分集中，从而能够有效保持围岩稳定性。

参考文献

[1]钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，1991.

[2]曹秀龙.煤矿巷道锚杆支护质量的影响因素分析[J].能源与节能，2014（04）：54-55+80.

[3]陈德良.矿建工程巷道掘进锚杆支护技术分析[J].技术与市场，2014（04）：103+105.

[4]张蕾，张志明，蔡健.巨厚煤顶巷道锚杆支护参数优化[J]. 煤矿安全，2014（04）：183-186.

[5]黄健.关于深井巷道围岩控制与支护技术的探讨[J].科技创业家，2014（07）：104.

[6]孙长春.小纪汗煤矿首采工作面锚杆支护设计与应用[J].煤炭与化工，2014（01）：93-96.

[7]康红普，林健.煤巷锚杆支护成套技术在潞安矿区的应用[J].煤炭学报，2001，26（增）：106-110.

[8]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国利水电出版社，2009.

作者简介：王磊（1986-），男，陕西富平人，助理工程师，现任神木汇森凉水井矿业有限责任公司地质测量部经理，从事煤矿地质测量管理工作。endprint

图1 42108回风顺槽支护设计图

3 支护效果数值模拟分析

针对凉水井煤矿42108工作面回风顺槽的地质采矿条件，根据采矿工程问题特点，利用FLAC3D模拟软件，建立了合理的数值分析模型分别对支护前及支护后的巷道围岩变形及应力分布进行模拟分析[7-8]。模拟结果如图2-图7所示。

图2 无支护竖向位移分布云图

图3 无支护横向位移分布云图

图4 无支护竖向应力分布云图

图5 支护条件下竖向位移分布云图

图6 支护条件下横向位移分布云图

图7 支护条件下竖向应力分布云图

通过数值模拟分析可以得出，巷道在没有采取支护措施时，顶板下沉量达到了35.5mm，采取支护措施后顶板下沉量18.3mm，减少了48.5%。而两帮位移量减少了50.6%；巷道在未采取支护措施时竖向应力分布过于集中，不利于保持围岩稳定，采取支护措施后顶板中竖向最大应力为0.67-1MPa，抛物线分布，在支护作用下，煤柱应力在两帮煤柱中分布范围加大，最大应力8.35MPa，避免了因应力集中而引起煤体破坏。根据巷道在优化前后支护条件下数值模拟结果的对比分析可以看出42108工作面回风顺槽在支护条件下巷道变形明显减小，而且有效优化了应力分布，说明采用新的支护参数有效的维护了巷道的稳定性，达到了预期目标。

4 结束语

文章以凉水井煤矿42108工作面回风顺槽为背景，以冒落拱理论为基础，利用相关理论进行巷道锚杆（索）支护设计，并用FLAC3D进行数值模拟分析，对支护前及支护后的围岩移动及应力分布等围岩稳定性指标进行对比分析，结果显示采用文章提出的锚杆（索）支护方式能够有效减少围岩移动量，避免应力分布过分集中，从而能够有效保持围岩稳定性。

参考文献

[1]钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，1991.

[2]曹秀龙.煤矿巷道锚杆支护质量的影响因素分析[J].能源与节能，2014（04）：54-55+80.

[3]陈德良.矿建工程巷道掘进锚杆支护技术分析[J].技术与市场，2014（04）：103+105.

[4]张蕾，张志明，蔡健.巨厚煤顶巷道锚杆支护参数优化[J]. 煤矿安全，2014（04）：183-186.

[5]黄健.关于深井巷道围岩控制与支护技术的探讨[J].科技创业家，2014（07）：104.

[6]孙长春.小纪汗煤矿首采工作面锚杆支护设计与应用[J].煤炭与化工，2014（01）：93-96.

[7]康红普，林健.煤巷锚杆支护成套技术在潞安矿区的应用[J].煤炭学报，2001，26（增）：106-110.

[8]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国利水电出版社，2009.

作者简介：王磊（1986-），男，陕西富平人，助理工程师，现任神木汇森凉水井矿业有限责任公司地质测量部经理，从事煤矿地质测量管理工作。endprint