锚杆支护对软岩巷道顶板稳定性的提升作用

赵韦韦

(山西潞安集团 慈林山煤业有限公司，山西 长治 046605)

锚杆支护是巷道开挖过程中应用较为广泛的支护方法，对开挖后的顶板进行锚杆支护能极大地提升顶板的稳定性，保证煤炭安全开采。软岩条件下巷道围岩变形较大，若不采用支护措施，软岩巷道极易发生冒顶、片帮等安全事故，许多专家对锚杆支护及软岩巷道稳定性进行研究。康红普[1]从理论、实践两个角度出发，对成套锚杆支护技术进行了研究；侯朝炯[2-3]基于室内试验的方法对锚杆支护后，锚固体对巷道围岩的控制程度进行了分析；张拥军[4-5]对锚杆支护的作用范围进行了分析。

本文以离散元理论为基础，建立软岩条件下巷道开挖及工作面回采的3DEC数值计算模型，研究锚杆支护对软岩巷道顶板稳定性的提升作用。

1 离散元理论

离散元法同其它数值模拟方法区别在于是否存在节理面。节理面变形对岩体力学性质及其稳定性具有重要影响，由于节理面厚度远小于其平面上的尺度，一般不用应力-应变曲线表示其变形规律，而是采用应力位移关系表征其变形规律。节理面变形主要体现两个方面：1) 垂直于节理面的闭合或张开。2) 沿节理面方向的剪切滑移变形，因此，节理面本构关系的主要研究内容是结构面应力与其法向变形和切向变形的关系。考虑节理面沿剪切方向为各向同性时，结构面上作用有两个应力：法向应力σ和剪切应力τ，对应的法向位移δn和切向位移δs，应力位移关系可由式(1)表示：

(1)

式中：

2 数值模型的建立

以软岩巷道为背景，建立巷道开挖及工作面模型，数值模型见图1. 模型长200 m、高23 m，巷道掘进方向对研究影响较小，取模型宽度为1 m. 研究对象主要为高2 m的油页岩顶板，故将该层顶板划分为若干1 m×0.5 m的块体，其它区域粗略划分。模型上表面施加5 MPa均布载荷，其余5个面施加位移约束，岩体破坏服从摩尔库伦强度准则，节理面破坏服从库伦滑移准则。模型所用煤岩体物理力学参数、节理力学参数见表1.

图1 数值计算模型图

表1 煤岩体力学参数表

3 锚杆支护对顶板稳定性的提升作用

3.1 巷道开挖过程中锚杆支护的提升作用

对图1中数值计算模型进行巷道开挖，巷道宽5 m、高3 m，开挖完成后，对其分别进行不支护及锚杆支护处理，锚杆支护中，锚杆长2 m，每隔0.5 m打一根，共11根，锚杆及锚固端力学参数见表2. 模型计算平衡后z方向位移云图见图2.

表2 锚杆力学参数表

图2 巷道开挖后顶板沉降量图

如图2 a)所示，无支护条件下，巷道开挖后的顶板最大沉降量约为3.18 cm，顶板较为稳定；由图2b)可知，锚杆支护后，顶板最大沉降量约为2.97 cm，同无支护对比，减小了0.21 cm. 以支护前后的顶板最大沉降量为基础，定义锚杆支护对顶板稳定性的提升程度，见式(2)：

(2)

式中：

η—锚杆支护对顶板稳定性的提升程度；

dw—无支护条件下顶板最大沉降量，cm，取3.18；

dz—锚杆支护条件下顶板最大沉降量，cm，取2.97.

由式(2)可得，巷道开挖过程中，锚杆支护对顶板稳定性的提升程度为6.6%.

为分析巷道跨度范围内顶板沉降量具体情况，每隔0.5 m记录巷道范围内z方向位移，见图3.

图3 巷道跨度范围内顶板沉降量曲线图

由图3可知，巷道开挖过程中，无支护条件下巷道两侧顶板沉降量分别为1.48 cm、2.47 cm；锚杆支护后，巷道两侧顶板沉降量分别为1.46 cm、2.25 cm，支护效果较为明显。

3.2 工作面回采过程中锚杆支护的提升作用

巷道开挖过程中，同时进行工作面回采作业，工作面回采对巷道沉降量的影响见图4.

图4 工作面回采过程中巷道顶板沉降量图

由图4可知，工作面回采过程中，巷道顶板均产生较大变形，同样每隔0.5 m记录巷道跨度范围内顶板z向位移，见图5.

图5 工作面回采过程中巷道顶板沉降量曲线图

由图5可知，回采过程中无支护及锚杆支护下巷道顶板最大沉降量依次为47.6 cm、39.9 cm，据式(2)得，锚杆支护对顶板稳定性提升程度为16.2%.

3.3 锚杆轴力分析

锚杆支护条件下，巷道开挖及工作面回采过程中锚杆所受拉伸力见图6.

如图6 a)所示，巷道开挖过程中，锚杆轴力最大202 kN，整体受拉伸力较小；如图6b)所示，工作面回采过程中，共7根锚杆轴力达到极限受力状态，约300 kN，且部分锚杆产生较大变形。

4 工程应用

山西潞安慈林山煤矿巷道开挖完成后，对其进行锚杆支护，巷道高4 m，宽4 m，锚杆长2 m，间排距0.5 m，支护完成后，对巷道中心位置进行沉降量监测，测点数据随时间的关系见图7.

图6 锚杆轴力图

图7 顶板沉降量监测曲线图

由图7可知，巷道开挖后前5天内沉降量逐渐增大，到第5天时，沉降量维持在5 cm左右，由于回采工作面的扰动，顶板沉降量从第12天开始大幅增加，第20天时，沉降量达到21 cm左右，之后基本保持不变。相对其巷高4 m，仅沉降了5%，说明锚杆支护作用显著。

5 结 论

1) 巷道开挖过程中，锚杆支护对顶板稳定性提升程度为6.6%，锚杆轴力较小；工作面回采过程中，锚杆支护对顶板稳定性提升程度为16.2%，部分锚杆达到极限轴力,且部分锚杆产生较大变形。

2) 对山西慈林山煤矿进行了实地监测，证明了锚杆支护对顶板稳定性的提升作用。