煤矿巷道锚杆支护技术有限元分析

刘甲

（同煤集团挖金湾煤业公司，山西大同037042）

引言

在煤矿开采过程中，随着巷道的不断掘进，巷道所受的矿压越来越大。为了保证煤矿安全生产进行，如何改进煤矿巷道的支护方式，以较低的成本达到理想的支护效果，成为煤矿开采过程一个亟待解决的问题。传统的煤矿巷道支护方式有木支护、砌暄支护和型钢支护等。但是上述支护方式存在基本不具有初阻力的缺点，只有当围岩发生变形时，支架的支护阻力才能增加。锚杆支护作为一种新的支护方式，其具有主动支护的优点。本文主要利用FLAC3D三维有限差分计算软件对煤矿巷道的支护技术进行有限元分析，最终确定锚杆支护合理的支护方案[1-2]。

1 巷道锚杆支护有限元分析

煤矿巷道的支护稳定性主要由巷道的围岩应力分布、巷道的围岩强度大小、锚杆的支护阻力大小和巷道的断面结构决定，因此决定利用三维有限差分计算软件FLAC3D进行模拟分析。该软件主要适用对材料产生塑性流动后的力学性能分析[3]。

1.1 有限元模型建立

根据模拟软件特性及计算机的运算速度，本次模型大小设定长、宽、高分别为38 m、5 m、23 m。该模型有7个不同性质的岩层组成，各个岩层和煤层的力学参数见表1[4]。

1.2 巷道断面的优化设计

由于原煤矿巷道的支护方式为U型钢架棚支护方式，当进行锚杆支护时，需根据煤矿的实际条件选择合理的巷道断面支护方式，现分别对半圆拱形和梯形巷道断面进行模拟，模型参数为半圆拱形断面高度3.4 m，宽度3 m，断面面积为9.2 m2，梯形断面宽度3 m，高帮3.7 m，低帮2.45 m，断面面积为9.2 m2。

利用三维有限差分计算软件FLAC3D分别对两种截面进行分析，并分别得出各个断面的最大和最小主应力分布，如图1所示。

表1 采煤巷道各煤层和岩层的力学参数

图1 半圆拱形断面和梯形断面应力分布图

从图1可以看出，整体上梯形断面巷道的应力场和半圆拱形断面巷道的应力场有明显区别。梯形断面巷道的最大主应力线密度明显比半圆形巷道最大主应力线密度要疏松。这表明梯形巷道围岩不具有半圆拱形巷道围岩的自稳特性，这会导致梯形巷道浅部围岩得到卸压，同时围岩的承载结构将向巷道深部转移。

从图中还可以看出梯形巷道的两帮和底板的应力场变化不大，顶板和上帮上部的应力差较大，另外在围岩的肩角部位形成应力集中。

由于梯形断面巷道和半圆拱形巷道的塑性区差别不大，主要是由于煤矿工作面运输巷道深度约为200 m左右，其地应力不大。另外，顶底板的硬度大也使巷道围岩拥有较大的抗破坏能力。本文不再列出有限元分析图形。

2 锚杆支护方案优化设计

根据有限元分析结果和实际的施工特点，虽然半圆拱形巷道的围岩应力条件相对好于梯形巷道，但是二者的围岩塑性相差不大。因此本文选择梯形断面巷道为试验巷道。

2.1 巷道顶板锚杆支护参数分析

在锚杆支护过程中，需要对锚杆施加预应力来保证巷道的支护效果。在早期的锚杆支护过程中，由于施工机具的限制，不能提供足够的预应力，导致预应力相对较低，此时预应力仅能达到100～150 N，而实际要求预应力应保持在15～20 kN之间。因此对于传统锚杆支护而言，其还不能达到主动支护的要求，仍然属于被动支护[5-6]。

在进行锚杆支护设计时，应对锚杆施加足够的预应力，根据巷道的埋深，巷道围岩的应力大小和锚杆支护准则来确定锚杆支护时的预应力应为其杆体屈服载荷的30%～50%。

根据煤层顶底板岩层的厚度和实际施工条件，本文采用悬吊理论分析设计方法来计算工作面巷道的锚杆长度和直径，从而确定锚杆的规格。根据锚杆支护理论和现场应用，设定锚杆的初始排距为800 mm，锚杆的预紧力为50 kN。

2.2 锚杆支护方案

根据上文对巷道断面的有限元分析，选择梯形断面巷道进行实验研究。这里提出两种锚杆支护方案，利用FLAC3D软件对不同种支护方案的应力分布进行有限元分析，最终选定最为合理的支护方案。支护方案如表2所示。

表2 不同锚杆支护方案参数mm

其中方案1的锚杆分布方式为，低帮侧3根，高帮侧1根。分别与顶板垂直放置和以15°安装。

方案2的分布方式与方案1保持一致。对以上两种锚杆支护方案分别进行有限元计算分析，如图2所示。

图2 不同锚杆支护方案的围岩应力场分布

锚杆的预应力对围岩的作用具有群锚效应，适中的锚杆密度可以使锚杆预应力的围岩压应力场产生叠加从而达到事半功倍的作用。

从图2中不同方案的最大主应力场分布图可以看出，不同的支护方案产生的围岩压应力整体差异较大。方案1的应力场相对方案2的应力场叠加深度深且应力场范围小。方案1中0.02 MPa压应力范围明显比方案2小。采用锚杆支护时，巷道肩角位置最容易形成应力集中，从而导致支护方案失效。因此肩角位置的压应力分布直接影响支护方案的成功与否。从图2可以看出方案2的巷道肩角压应力分布范围相对较大。

锚杆的间距大小和锚杆固定端产生的拉应力场叠加程度深浅成反比例关系。间距越小，拉应力场叠加深度越深，范围也越大。从图2中不同方案的最小主应力场分布图可以看出，方案1的锚固端产生的拉应力场的数值和范围相对方案2明显较大。

选择合适的锚杆支护距离，使巷道围岩压应力的大小和范围得到保证。同时，最大限度地降低锚杆锚固端围岩拉应力的大小和范围。因此，经过综合分析，选用方案2为煤矿巷道的最优支护方式。

3 结论

1）梯形断面巷道和半圆拱形断面巷道的围岩塑性区相差不大。但是二者的应力分布却截然不同。前者的围岩最大应力线密度明显比后者的围岩最大主应力线密度要疏松。同时前者的巷道肩角位置的应力分布也较集中。

2）半圆拱形巷道的围岩应力分布比梯形巷道应力分布好，但二者的围岩塑性区几乎一致。根据本煤矿巷道断面和实际施工条件，决定选用半圆拱形断面为本煤矿锚杆支护巷道的断面形状。

3）对两种顶锚杆支护方案进行有限元分析，确定本煤矿巷道顶锚杆支护的最优方案为：锚杆规格Φ20 mm×2 000 mm的左旋无纵筋普通钢螺纹锚杆，间距850 mm，排距800 mm，距低帮360 mm，距高帮320 mm。锚杆的安装方式为，低帮侧三根锚杆与顶板保持垂直，高帮侧1根锚杆以15°安装。

[1]何满朝，袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.

[2]王金华，康红普，高富强.锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟[J].煤炭学报，2008，33（1）：1-6．

[3]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）：534-537.

[4]阮王明雄.越南杨辉煤矿巷道锚杆支护技术研究[D].徐州：中国矿业大学，2016．

[5]张国华.确定巷帮锚杆间距的理论计算[J].煤炭学报，2006，31（4）：433-436.

[6]康红普，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.