巷道非对称变形中的锚杆支护效果分析

王建飞

（同发东周窑煤业股份公司，山西 大同 037051）

近年来，虽然众多专家、学者在顶板围岩稳定性原理及控制技术方面进行了大量研究，在确定巷道位置、高强度支护技术方面取得了一定研究成果，但对深部布置在高应力集中区的巷道顶板变形破坏特征、锚杆-锚索协调锚固机理认识仍有不足，此类巷道多延用了经验设计参数的均称支护方法，在支护参数选取过程中存在盲目性，巷道的支护强度达不到设计要求。

1 概况

矿井埋深-464.7～ -507.4m，煤层的整体厚度变化比较大，两侧相对小，中部较深。煤层的倾角为9°～15°，平均倾角约为12.5°。回采煤层周边的岩层情况，具体如表1所示。

2 数值模拟

2.1 数值计算模型

数值计算以某轨道顺槽围岩为原型建模，几何尺寸为：50m×4m×40m。共剖分65244个立方体单元，总节点数为73962，巷道附近网格加密。模型的巷道轴向长为（y方向）20m，宽5m，高3m。巷道开挖方向是在y轴正方向开挖。

模型采用的是莫尔-库伦模型，通过设置接触面模拟断层和岩层层面等结构面的接触。模型中煤岩体的物理力学参数以实验室煤岩样测试试验为基础，煤岩体物理力学参数见表2。

2.2 模拟方案

（1）方案1。巷道两帮布置6根锚杆，两帮均采用Φ20×2000mm的全螺纹锚杆，间排距为8000mm×800mm。

（2）方案2。巷道两帮布置6根锚杆，应力集中侧煤帮采用Φ20×2400mm的全螺纹锚杆，间排距为800mm×800mm；另一侧煤帮采用Φ20×1800mm的全螺纹锚杆，间排距为800mm×800mm。

在本次模拟中，锚杆、锚索采用cable单元，锚杆（索）锚固力学参数如表3。

表1 岩层情况

表2 岩层物理力学参数表

表3 顶锚杆（索）锚固力学参数

2.3 模拟结果分析

由图1（a）可以发现，采用传统的均称支护，应力集中侧煤帮2.0m范围内煤体变形严重，位移量达到150mm左右，而在另一侧巷帮2.0m范围内煤体的变形较小。巷道的两帮出现明显的非对称变形破坏（即巷道的两帮变形破坏的程度不一致），主要表现为应力集中侧煤帮煤体沿着层理面滑移，局部形成“鼓肚”变形、锚杆挤出失效的现象。

由图2（b）模拟可知，巷道围岩的位移分布较为匀称。应力集中侧煤帮最大位移量为49.2mm，另一侧帮部最大位移量为48.5mm，水平位移匀称出现在两帮，并且最大移近量位于巷道两帮中部靠上的位置。说明围岩非均称支护改善了巷道围岩的力学性能和局部围岩应力状态，避免了巷道局部围岩的失稳和过早破坏，针对于巷道的非对称变形得到有效抑制。

图1 不同锚杆布置下的围岩水平位移云图

3 工程应用

为了验证数值模拟的准确性，在30200工作面轨道顺槽掘进过程中采用非均衡支护，在巷道中布置测站，对巷道两帮位移进行现场监测及探测。

图2 巷道两帮移近量监测曲线

由监测曲线图2可知：均匀支护下两帮最大移近量分别为115mm、54mm，非均匀支护下两帮最大移近量分别为62mm、50mm。两帮移近量在巷道掘进17d左右趋于稳定，之后变化微小，最终在巷道掘进20d后达到一个稳定的移近量。观测结果显示，采用非均匀支护，巷道围岩累计变形量较小，巷道两帮未出现非对称性变形，与数值模拟结果所得到的数据基本相同，巷道最终采用的支护参数如图3所示，巷道围岩控制效果良好。

图3 巷道断面锚杆、锚索支护参数图

4 结论

（1）基于数值模拟的原理，利用FLAC3D数值模拟软件研究了布置在应力集中区的巷道围岩变形破坏规律和传统支护的弊端。

（2）通过工程实例的现场监测发现，采用非均匀支护参数后，锚杆支护作用得到充分发挥，两帮位移量大大减小，完整性大大提高，围岩变形得到有效控制。