不同煤层倾角锚杆支护围岩位移变化规律研究

孟海东 崔小晋 刘占宁

(内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古自治区包头市，014000)

锚杆支护可以有效提高矿井围岩的稳定性，为井下作业提供良好的工作条件，极大减少了顶板坍塌等事故，为煤矿的安全生产做出了重要贡献。

专家学者在锚杆支护方面的研究取得了大量的成果。陈文强等通过理论计算结构面的抗剪强度大小规律并进行实验验证，结果表明，随着锚杆倾角的增大，锚杆轴向力发挥的抗剪强度在降低，横向剪切力发挥的抗剪强度在增大；陈丽俊等建立了锁脚锚杆—钢拱架联合承载力学模型，并对其横向效应和轴向效应进行分析，讨论了打设角度对锁脚锚杆内力和变形的影响，分析了不同参数对拱顶下沉的影响规律。

从上述研究成果中可以看出，学者对锚杆的材料、结构、长度、间排距和预紧力做了比较深入的研究，对围岩弹性模量和剪切刚度，围岩塑性区和弹性区以及离层围岩对锚杆的影响也做了较多的研究，但对锚杆角度的优化以及变化规律研究的还比较少。为达到最好的支护效果，锚杆支护角度需要也随煤层倾角的变化而改变，本文将对不同煤层倾角下顶锚杆的支护角进行研究，希望找出顶锚杆支护角度变化时，顶板位移、两帮位移以及底鼓之间的联系。

1 数值计算模型的建立

本文选用FLAC3D软件进行模型的建立与支护模拟研究，以棋盘井煤矿0903回采巷道的地质条件为工程背景。0903工作面煤层埋深400 m，煤层厚度约3 m，煤层上部为细砂岩和泥质砂岩，下部为砂质泥岩，巷道左侧为实体煤，右侧为采空区。模型顶部为自由边界，侧面和底部施加约束进行固定，上覆岩层自重应力取10 MPa，采空区施加的压应力取22 MPa，模型尺寸为50 m×30 m×20 m，巷道尺寸为5 m×3 m(宽×高)，模型先加载后开挖，破坏准则为摩尔—库伦弹塑性屈服准则。各岩层岩石力学参数见表1。

表1 各岩层岩石力学参数

图1 锚杆支护数值模拟模型

锚杆支护数值模拟模型如图1所示，从下到上依次为砂质泥岩、煤、泥质砂岩和细砂岩。

根据巷道三位一体的原则，顶板、两帮和底板相互影响，为了达到最好的支护效果，顶板、两帮和底板均进行锚杆支护，并且在顶板进行锚杆锚索联合支护。

本文研究的位移并非基于某个点的位移值，而是各种位移的最大值，即围岩表面的位移量，例如Z方向顶板位移的最大值在顶板表面，X方向左帮位移的最大值在左帮表面。

2 不同煤层倾角下锚杆支护围岩位移变化规律研究

2.1 围岩位移规律研究

煤层倾角为10°时顶板和右帮位移变化如图2所示。由图2可知，Z方向顶板位移在90°～100°的锚杆支护角度区间呈增长趋势。顶板位移和右帮位移无相关性,发生这种现象的原因可能在于塑性区和破碎区比例的变化。

图2 煤层倾角为10°时顶板和右帮位移变化

煤层倾角为10°时左帮和右帮位移变化如图3所示。由图3可知，左帮位移和右帮位移具有良好的反向同步性。

图3 煤层倾角为10°时左帮和右帮位移变化

煤层倾角为10°时顶板位移和底鼓量变化如图4所示。由图4可知，顶板位移和底鼓具有较弱的同步性。

图4 煤层倾角为10°时顶板位移和底鼓量变化

煤层倾角/(°)顶板和右帮左帮和右帮顶板和底鼓10无关反向同步同步11无关无关反向同步12无关同步同步13同步反向同步反向同步14反向同步无关无关15反向同步反向同步反向同步16同步无关无关17同步同步无关18同步无关反向同步

围岩位移规律总结见表2。分析表2的结果可知，煤层倾角为12°～16°时，左帮位移和右帮位移的同步性与顶板位移和底鼓的同步性相同，也就是说当左帮位移和右帮位移同步增加或减小时，顶板位移和底鼓也在同步增加或较小，当左帮位移和右帮位移反向同步增加或减小时，顶板位移和底鼓也在反向同步增加或较小。

2.2 位移标准差规律研究

标准差反映一组数据的离散程度。位移标准差则反映了顶锚杆支护角度变化下围岩的稳定程度，标准差越小则代表围岩越稳定。

图5 不同煤层倾角下位移标准差分布

不同煤层倾角下位移标准差分布如图5所示。由图5可知，煤层倾角为10°～18°时，左帮位移标准差和右帮位移标准差具有很强的同步性，说明煤层倾角的变化对两帮稳定性的影响是相同的。发生这种现象的原因可能与塑性区和弹性区的比例变化率有关。煤层倾角为10°～14°时，顶板位移标准差和底鼓标准差具有很强的同步性，说明煤层倾角的变化对顶板和底鼓稳定性的影响是相同的，当煤层倾角的增加使顶板更加稳定时，煤层倾角的增加也会使底鼓更加稳定。煤层倾角为14°～18°时，顶板位移标准差和底鼓标准差具有很强的反向同步性，说明煤层倾角的变化对顶板和底鼓稳定性的影响是相反的，当煤层倾角的增加使顶板更加稳定时，煤层倾角的增加则会使底鼓更加不稳定。

2.3 位移最小时的支护角规律研究

当顶板位移最小时，顶板锚杆的支护角度称为顶板位移的最佳支护角。当底鼓最小时，顶板锚杆的支护角度称为底鼓的最佳支护角。当左帮位移最小时，顶板锚杆的支护角度称为左帮位移的最佳支护角。当右帮位移最小时，顶板锚杆的支护角度称为右帮位移的最佳支护角。

不同煤层倾角下位移最小时的支护角变化如图6所示。

图6 不同煤层倾角下位移最小时的支护角变化

由图6可知，煤层倾角为10°～18°时，顶板位移和底鼓的最佳支护角具有良好的反向同步性，当由于煤层倾角的变化使得顶板位移的最佳支护角增加时，底鼓的最佳支护角减小；当由于煤层倾角的变化使得顶板位移的最佳支护角减小时，底鼓的最佳支护角会增大。发生这种现象的原因与塑性区和破碎区的比例有关。煤层倾角为12°～15°时，左帮位移和右帮位移的最佳支护角具有很强的同步性，当由于煤层倾角的变化使左帮位移的最佳支护角增加时，右帮位移的最佳支护角也会增加；当由于煤层倾角的变化使的左帮位移的最佳支护角减小时，右帮位移的最佳支护角也会减小。煤层倾角为10°～12°和15°～18°时，左帮位移和右帮位移的最佳支护角则具有良好的反向同步性，当由于煤层倾角的变化使得左帮位移的最佳支护角增加时，右帮位移的最佳支护角会减小；当由于煤层倾角的变化使得左帮位移的最佳支护角减小时，右帮位移的最佳支护角会增大。

不同煤层倾角下总位移最小时的支护角见表3。由表3可知，最佳支护角在91°～93°区间的煤层倾角有5个，按总位移从小到大排列可知，91°～93°是最佳支护角出现的最佳区间。

表3 不同煤层倾角下总位移最小时的支护角

3 结论

本文采用FLAC3D软件模拟分析不同煤层倾角锚杆支护围岩位移相关性规律如下：

(1)煤层倾角为10°～18°时，顶板位移和右帮位移、左帮位移和右帮位移、顶板位移和底鼓的关系均比较复杂，没有明显的相关关系。煤层倾角为12°～16°时，左帮位移和右帮位移的同步性与顶板位移和底鼓的同步性是相同的。

(2)煤层倾角为10°～18°时，煤层倾角的变化对两帮稳定性的影响是相同的；煤层倾角为10°～14°时，煤层倾角的变化对顶板和底鼓稳定性的影响是相同的；煤层倾角为14°～18°时，煤层倾角的变化对顶板和底鼓稳定性的影响是相反的。

(3)煤层倾角为10°～18°时，顶板位移和底鼓的最佳支护角具有良好的反向同步性；煤层倾角为12°～15°时，左帮位移和右帮位移的最佳支护角具有很强的同步性；煤层倾角为10°～12°和15°～18°时，左帮位移和右帮位移的最佳支护角具有良好的反向同步性。

(4)总体而言，煤层倾角为10°～18°时，91°～93°的顶板锚杆支护角度是最佳支护角出现的最佳区间。

[1] 陈文强，贾志欣，赵宇飞等. 剪切过程中锚杆的轴向和横向作用分析 [J]. 岩土力学, 2015(1)

[2] 陈丽俊，张运良，马震岳等. 软岩隧洞锁脚锚杆-钢拱架联合承载分析 [J]. 岩石力学与工程学报, 2015(1)