张家湾煤矿开切眼锚杆支护参数确定的数值模拟

刘洋　勾靖国

【摘 要】本文通过FLAC3D对张家湾堰煤矿6号煤层6106工作面，开切眼锚杆支护长度数的确定进行了数值模拟。通过模拟得到顶锚长度至少取2.4m，帮锚杆长度应取1.8m。对工程现场确定锚杆的锚固长度有指导意义。

【关键词】锚杆支护；数值模拟；开切眼

支护和加固也可以归类为主动的或者被动的。主动支护的实施将在岩石表面施加一个事先确定好的荷载，对于长壁开采面它可以采用预拉的锚杆和锚索、液压支柱、膨胀、膨胀式分段混凝土衬砌或动力支架的形式。在需要支护或单个岩块或岩石松动区产生的重力荷载作用时，通常要求主动支护。被动支护或加固在施工时不需要加荷载，相反，支护荷载是随岩体变形逐渐加上去的。被动支护可以用钢拱、木架或复合式砌体设置，也可以用未预拉的岩石注浆锚杆、钢筋或锚索来实现。未预拉的岩石注浆锚杆、钢筋和锚索通常称为锚栓。

锚杆支是属于“以柔克刚，缓冲让压，稳定支护”的基本准则。让围岩发生充分的变形、位移，使得围岩由于边界条件发生变化而引起应力重新分布，引起的应变能。充分发生位移会释放大量的应变能。提高围岩的自承能力[1]。这就是锚杆支护的很大的一个优点，自从有了锚杆支护以后，在矿山中支护问题已经不是困扰采矿工程的主要问题了。

本文对同张家湾煤矿开切眼的顶板支护锚杆参数进行了确定，通过现场得测试：底鼓由原来的200～400mm减小到50～200mm；片帮次数减小到原来的40%，片帮块度减小到原来的30%；碎石冒落次数和量减少到原来的30%，块度减少到原来的25%。从以上数据可以看出支护效果得到显著的提高。

1 锚杆的作用机理

锚杆可以用来悬吊层状岩石中可能失稳的顶板梁。锚杆锚固装置一定要错入到潜在破坏区以外。如假定不稳定区的岩石重量全部由锚杆所承受而使锚杆受力，则有：T=γDs2

式中：T为每根锚杆的工作荷载；γ为岩石的容重；D为不稳定区的厚度；s为纵向及横向岩石锚杆间距。减跨作用：把顶板看成一个长的岩梁，在巷道顶板岩层中打入锚杆，锚杆简化为一个铰支座的力学模型。相当于把跨度大的岩石梁，通过锚杆打入岩石里，起到了减跨的作用。组合作用：把锚杆锚入岩石中，类似于一个层合岩梁变成叠合岩梁。由于上覆岩层对顶板的压力一定则弯矩就一定，根据材料力学弯曲正应力计算公式得，层合岩梁变成叠合岩梁，这样弯曲应力就减小了。这样就使得围岩应力降低，改善了围岩的应力状态。用锚杆锚固围岩，围岩和锚杆的相互挤压形成一个承载环，这样就提高了围岩的承载能力。

2 煤及顶板岩石力学参数及稳定性评价

6号煤层顶板为粘土岩，或为粗砂岩顶部为硬质粘土岩，底板为软质粘土岩，遇水分解成泥状可塑性强。

3 用FLAC3D有限差分软件对6106工作面的仿真模拟

根据张家湾煤矿的地质柱状图和6#煤层6106的地质条件。建立相应的数学力学分析模型来确定锚杆的支护参数。用FLAC3D有限差分软件进行了数值模拟。该软件是为岩土工程应用而开发的，采用了拉格朗日显式算法可以跟踪材料的渐进破坏和垮落，这对采矿工程是很重要的[2]。

6#煤层的平均厚度为11m，在该煤层的地质条件下开切眼，巷道总高度为3m。6106开切眼尺寸长7.5m，宽3.0m。巷道顶板层由顶煤、软岩及硬岩层组成， 上覆岩层的模拟厚度到地面其厚度为87m。底板模拟边界为10m，两帮的模拟厚度为25m。对于边界条件的确定，上部边界条件简化为应力边界条件，模型的下部边界条件简化为固定端，即下部边界的位移为零。模型共划分23000个六面体体单元，共有25533个节点。围岩的物理力学参数以上述表格1的实测参数。

模拟中主要考虑围岩屈服破坏的范围，破坏准则是摩尔-库伦准则。目的是用来确定锚杆的支护参数。切眼开挖模型网格划分如图1。

3.1 在无锚杆支护下6106工作面开挖破坏范围的仿真模拟

巷道开挖后，由于巷道表面径向力为零，原来岩体的平衡遭到破坏。巷道顶部的岩体压力传递到两帮，使巷道两帮岩体中的铅垂应力增大。由于挖掉部分岩体形成巷道空间结构，地应力的边界条件发生了变化，条件变成自由边界条件。重新分布的应力失去了传递的介质，所以只能通过两帮传递。在巷道周边由于应力集中，产生屈服甚至塑性流动[3]。

在无支护的条件下，围岩破坏的等应力图见图2。根据摩尔-库伦岩石强度判据可知，顶板的最大破坏区域为2.0m。两帮岩层的破坏深度达到1.4m。所以若不及时支护则会导致顶板冒落，两帮片帮严重。根据锚杆的支护原理，通过锚杆的锚固力可以使破碎的岩石形成一个整体结构，减少了围岩的位移；提高围岩的整体承载能力。通过模拟可得锚杆的长度在2.4m左右为最佳长度，帮锚杆的最佳长度为1.8米左右。

3.2 围岩垂直应力分布情况

根据开挖后巷道围岩垂直应力模拟结果，图3无支护下巷道垂直应力分布。

从应力分布云图的情况看，由于开挖形成空间后应力重新分布，在2.0m范围内为应力屈服区。形成一个围岩松动区-应力降低区。在两帮应力降低区离巷道壁为1.0m且两帮垂直应力呈对称分布。在两帮1.0～1.5m左右范围为弹性应力区。在塑性区和弹性区的交界处应垂直应力达到峰值为11.5MPa，和岩石力学塑性区的次生应力理论推导的趋势是一致的。

4 支护效果小结

通过对开切眼巷道在无支护下的情况下，确定了围岩的破坏范围，在顶板中部的深度2.0m范围为降低区。在水平巷道弹塑性交界面位于1.4m的深度处应力增大区。根据模拟结果可知，若不及时支护，容易顶板冒顶，两帮严重片帮。本文通过FLAC3D对张家湾煤矿6号煤层6106工作面，开切眼锚杆支护长度参数的确定进行了数值模拟。通过模拟得到顶锚长度至少取2.4m，帮锚杆长度应取1.8m。通过现场测试支护效果得到了很大的提高。

【参考文献】

[1]李通林，谭学术，刘传伟.矿山岩体力学[M].重庆：重庆大学出版社，1999.

[2]肖猛，丁德馨，莫勇刚.软岩巷道围岩稳定性的FLAC3D数值模拟研究[J].矿业研究与开发，2007（01）.

[3]李忠亮.煤巷围岩控制与锚网支护技术的研究[D].内蒙古科技大学，2012.

[责任编辑：王伟平]