锚杆支护参数对井巷围岩变形的影响分析

侯朝祥

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿， 山西 古交 030203）

引言

我国煤矿开采初期由于支护方式不合理且支护不到位常发生顶板坍塌、两帮垮落等事故，严重威胁着井下作业人员的生命安全，大大降低了煤炭生产效率。采用液压支架对工作面支护，在一定程度上提升了煤矿生产的安全性，同时采用锚杆+锚索联合支护方式可进一步强化工作面生产的安全性[1]。对于锚杆支护而言，需根据煤矿工作面地质、煤层以及水文等条件设置最佳支护参数，达到最佳支护效果。本文将着重研究锚杆支护参数对井巷围岩变形的影响。

1 工程概况

本文以镇城底矿矿井3 号煤层所属工作面为研究对象，该工作面的煤层平均厚度为6.06 m，其中可开采煤层的厚度为5.87 m。3 号煤为井田内主要的可采煤层，位于山西组的下部，井田四周均有风化剥蚀。煤层厚为 0～9.17 m，平均 5.71 m，含夹矸 0～3 层，一般0～2 层，结构简单，为全井田稳定可采煤层。3号煤层所属工作面的顶底板情况如表1 所示。

经探测可知，3 号煤层工作面顶板的抗压强度13.3 MPa，抗拉强度为0.6 MPa；老顶的抗压强度23.2 MPa，抗拉强度1.3 MPa。该矿瓦斯绝对涌出量为5.68 m3/min，掘进最大绝对涌出量为0.25 m3/min，二氧化碳（CO2）绝对涌出量为3.79 m3/min，批复为低瓦斯矿井。

表1 3 号煤层工作面顶底板情况

本文将采用有限元分析手段对3 号煤层所属工作面的支护参数进行优化设计，从而达到提升井巷支护效果，保证工作面安全生产的目的[2]。

2 井巷支护现状及仿真分析

2.1 井巷支护现状

经对3 号煤层工作面地质、煤层以及水文条件分析可知，该工作面井巷的围岩稳定性较差，而且，该工作面的断面形状为半圆拱形，其中半圆拱形的直径为5 m，断面最高点的高度为4.5 m。目前，3 号煤层工作面采用全断面一次开挖的开采方式。为保证开挖后断面围岩的稳定性，在开挖后采用喷射混凝土和锚杆的支护方式对井巷围岩进行控制[3]。具体支护步骤与参数如下：

1）巷道开挖后首先在岩层表面喷射30 mm 厚的混凝土；

2）混凝土表面打锚杆并挂钢筋网；

3）急需喷射厚度为70 mm 的混凝土，保证两次喷射混凝土的厚度不小于100 mm。

当前支护所采用锚杆的直径为22 mm，锚杆长度为2 100，锚杆间距为800 mm，锚杆排间距为1 000 mm。所采用钢筋网的规格为150 mm×150 mm，钢筋的直径为6.5 mm。

2.2 井巷开挖初期仿真分析

根据3 号煤层工作面的实际尺寸建立数值模拟模型，并根据岩层、煤层等条件对模型中的力学参数进行设置，该井巷围岩的力学参数如下页表2 所示。

基于所搭建的数值模拟模型，将对井巷未开挖时的初始应力和开挖初期支护进行数值模拟分析。

1）井巷初始应力模拟结果。经仿真模拟可知，3号煤层工作面在开挖初期初始水平应力值大于垂直应力值。其中，在水平方向以井巷的中心为界限呈现对称分布；在垂直方向，初始应力值从下到上依次增大。对于井巷的初始位移而言，在水平方向的位移从中间向两侧依次增大，最大为53.1 mm；在垂直方向的位移从井巷底部到上部依次增加，最大为37.6 mm。

表2 3 号煤层工作面井巷围岩的力学参数

2）井巷开挖初期模拟结果。为验证当前支护参数对井巷围岩的控制效果，分别对有支护手段和无支护手段下井巷围岩的变形情况进行仿真对比，并得出如下结论：在喷射混凝土和锚杆支护的联合作用下，对经井巷的围岩得到明显控制，与无支护手段相比围岩的位移、变形很小。具体分析，当前支护参数对井巷顶板的控制效果较好，而对井巷两帮的控制效果相对差一些，并且对巷道底板围岩位移也起到一定的控制作用[4]。

3 锚杆支护参数对井巷围岩变形的影响

3 号煤层当前所喷射的混凝土在锚杆的作用下与围岩形成一个锚固区，从而实现了对围岩变形的控制。喷射混凝土+锚杆支护对围岩的控制效果在一定程度上决定于所选用锚杆的类型，即锚杆参数会对井巷围岩的变形具有一定的影响作用。这里所述的锚杆参数包括有锚杆长度、直径、间距以及预应力等。本文将对上述不同锚杆参数对应的支护效果进行仿真模拟分析。

3.1 锚杆长度对井巷围岩变形的影响

本节对长度为1 500 mm、1 800 mm、2 100 mm、2 400 mm、2 700 mm 锚杆的支护效果进行研究，所选取锚杆的直径为22 mm，锚杆间距为800 mm。结合第2 节中所建立的数值模拟模型，对不同锚杆长度下井巷围岩的变形进行仿真分析，结果见表3。

如表3 所示，当锚杆长度为1 500 mm 和1 800 mm 时，巷道顶底板以及两帮位移量几乎一致；随着锚杆长度的增加，当锚杆长度为2 100 mm 和2 400 mm 时，巷道顶底板和两帮的位移量明显降低，且两种长度规格锚杆对围岩变形的控制效果一致；当锚杆长度为2 700 mm 时，巷道围岩的变形量进一步减小。因此，综上所述，应将锚杆长度设定为2 400 mm以上。但是，过长的锚杆长度会增加施工难度，从而降低效率。

表3 锚杆长度对井巷围岩变形的影响 mm

3.2 锚杆直径对井巷围岩变形的影响

本节对直径为 16 mm、18 mm、20 mm、22 mm 以及24 mm 锚杆的支护效果进行研究，所选取锚杆的长度为24 mm，锚杆间距为800 mm。仿真结果如表4所示。

表4 锚杆直径对井巷围岩变形的影响 mm

如表4 所示，随着锚杆直径的增加，顶板、两帮以及底板的变形量总体上呈现减小的趋势。从细节分析来看，当锚杆直径从16 mm 增大至18 mm 时，井巷围岩变形得到明显控制；但是，当锚杆直径从18 mm 增大至20 mm 时，对井巷围岩变形的控制效果反而变差，而随着锚杆直径的继续增大对围岩变形的控制效果又变好。分析数据可知，当锚杆直径为18 mm 和24 mm 时，对井巷围岩变形的控制效果几乎一致。考虑到锚杆直径越大，越增加施工难度，最终确定的最佳锚杆直径为18 mm。

3.3 锚杆间距对井巷围岩变形的影响

本节对间距为 600 mm、700 mm、800 mm、1 000 mm 以及1 200 mm 锚杆的支护效果进行研究，所选取锚杆的长度为24 mm，锚杆直径为18 mm。仿真结果如表5 所示。

如表5 所示，随着锚杆间距的增加，对井巷顶板和两帮围岩变形的控制效果变差；而底板围岩的变形量呈现先减小后增大的变化趋势。综合分析，当锚杆间距为700 mm 时，对底板围岩的控制效果最佳，且对顶板和两帮的控制效果也较好。因此，针对3 号煤层工作面最佳锚杆间距为700 mm。

4 结论

锚杆支护为综采工作面常见的支护方式，根据不同的支护工作面所对应的支护参数不同。为保证综采工作面的支护效果，需充分结合实际地质、煤层等条件综合确定锚杆参数[5]。本文采用数值模拟手段重点对锚杆参数对井巷围岩变形的控制效果进行对比分析，得出3 号煤层工作面最佳锚杆支护参数如下：锚杆长度为2 400 mm，锚杆直径为18 mm，锚杆间距为700 mm。

表5 锚杆间距对井巷围岩变形的影响 mm