煤巷锚杆-索支护参数模拟及现场试验

陈建伟

（山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋中 045300）

煤炭井工开采中巷道掘进是非常重要的一个环节，探索正确的煤巷围岩支护理论、选择安全可靠的支护方法、确定经济合理的支护参数以及使用高效施工工艺显得尤为重要[1-2]。实现巷道安全、快速掘进是一项综合性施工工艺，其影响因素很多，主要有三个方面：人的影响、施工机械设备及生产技术的影响、施工地点安全的影响。这三者按照“木桶理论”，都会影响整体水平[3-4]。寺家庄煤业14101 工作面141011 巷道在掘进过程中出现了支护措施失效、巷道变形失稳等问题，亟需对锚固系统参数与支护方案进行优化。

1 锚杆（网）-索支护数值模拟模型

1.1 模型边界条件

141011 巷道为研究对象，使用FLAC3D软件，根据三维模型边界条件，限制巷道周围水平位移及底部三方向位移，上边界自由。同时，假设：在模拟过程中，岩石每一层都是连续介质；初始模型是平面应变模型。在初始应力场作用下，依据材料力学性质改变成为相应的其他力学模型。模型如图1。

图1 数值模型构建

1.2 计算几何模型确定

在此模拟中使用了应变软化模型和Hoke Brown屈服准则。煤岩屈服失效后，根据三维应力路径对煤岩进行统一软化处理。如果模型中拉伸应力超过煤岩拉伸强度，则将煤岩视为拉伸破坏。

式中：σ1s为煤岩体强度峰值时阶段最大主应力；m、s为材料常数，取决于煤和岩石特性以及初始裂缝发展；σc为煤岩单轴抗压强度，σ3为最小主应力。

模拟所采用岩石与煤物理力学参数见表1。

表1 实验测试岩石和煤物理力学参数

2 数值模拟方案设计对比分析

为满足141011 巷支护需要，基于煤层顶底板岩层柱状资料和煤岩物理力学参数，提出三种方案进行数值模拟分析。

（1）当锚杆锚入K2 灰岩，但长度小于500 mm 时，矩形断面宽×高=4900 mm×4200 mm，顶板锚杆直径为20 mm，长度为2400 mm，锚杆排距为1200 mm，间距为1000 mm。顶板锚索直径为17.8 mm，长度为4500 mm，沿巷道中心布置，排距2400 mm。模拟结果如图2。

由应力分布特征可知，巷道未发生明显的运移变形和塑性破坏。在该支护条件下，巷道变形小，顶底板移近量约为10～15 mm，两帮移近量约为20～25 mm，未发现显著底鼓破坏现象。该方案能够满足现场对于围岩控制要求。

（2）当锚杆锚入K2 灰岩，但长度大于500 mm 时，矩形断面宽×高=4900 mm×4200 mm，顶板锚杆直径为20 mm，长度为2400 mm，锚杆排距为1200 mm，锚杆间距为1000 mm。顶板锚索沿巷道中心布置，直径17.8 mm，长度4000 mm，排距为2400 mm。模拟结果如图3。

由巷道位移分布特征与塑性破坏区域可知，在该支护条件下，巷道变形不明显，顶底板移近量约为10～20 mm，两帮移近量约为25～30 mm，未发现显著底鼓破坏现象。该方案能够满足现场对于围岩控制要求。

（3）巷道直接顶板为K2 灰岩时，矩形断面宽×高=4900 mm×4200 mm，基本支护方式为锚杆配合金属网+钢筋梯子梁。顶板锚杆的主要参数为：Ф20 mm，长度2400 mm，锚杆排距为1200 mm，锚杆间距为1000 mm。模拟结果如图4。

图4 方案（3）支护效果

分析应力分布可知，由于锚杆能够锚固到坚硬岩石中，巷道位移变形和塑性范围较小，顶底板移近量约为10～20 mm，两帮移近量约为25～30 mm，未发现显著底鼓破坏现象。该方案能够满足现场对于围岩控制要求。

3 锚杆（网）-索支护数值计算

为确定支护间排距离，对以下四个方案进行比较，方案的锚杆排距依次为1.0 m、1.2 m、1.5 m和2.0 m，锚索排距依次为2.0 m、2.4 m、3.0 m 和4.0 m。如图5。

图5 不同排距下锚杆（索）加固后围岩应力分布特征

比较不同排距下锚杆和锚索应力分布可知：当排距为1.0 m 时，锚杆和锚索能够形成一个完整锚固体，锚杆和锚索有效压应力区连接、重叠，形成网状结构，很好控制住顶板。当排距为1.2 m 时，锚索之间有效压应力区域连接存在一定间隙，但锚杆有效压应力可以很好地连接和重叠。考虑到锚索与锚杆支护原理不同，因为顶板较为坚硬，通过锚杆锚固作用能形成整体，加上锚索悬吊作用，能够很好维护顶板。当排距为1.5 m 时，锚杆和锚索虽能够形成一个锚固体，但相邻锚固体间没有连接，有效压应力不能重叠，所以该方案不能很好满足该矿需要。当排距为2 m 时，锚杆间未能形成独立锚固体，锚杆与相邻锚索间也未很好连接，有效压应力未能连接、重叠，形成网状，所以该方案不能很好满足现场需要。

4 工程实践

通过数值模拟研究结果，支护方式确定为锚杆配合金属网+钢筋梯子梁。顶板锚杆规格参数：Ф20 mm，长度为2400 mm，锚杆排距1200 mm，间距1000 mm。

试验巷道长度100 m，从试验巷道起点开始掘进20 m 后布置1#测点，然后每掘进20 m 依次布置2～4#测点。采用“十字量测法”进行观测，每个测点布置1 条表面位移观测线，每3 d 观测一次，在巷道顶底板及两帮中点处布置A、B、C 和D 四个测点。利用测杆测出顶底板上下变形量，用钢卷尺测两帮左右变形量，读数精确到1 mm。观测结果如图6、图7。

图6 141011 巷两帮移近量随时间变化趋势图

图7 141011 巷顶底板移近量随时间变化趋势图

通过观测，可以看出两帮最大移近为30 mm，在2#、3#测点中测出，在巷道开挖后第36 天出现；之后巷道两帮变形量趋于稳定，5 月27 日到30 日，2#号测点两帮变化量达到峰值，变化量为8 mm。顶底板最大移近量为3#测点测出31 mm，出现在巷道掘进后第33 天，后续巷道顶底板位移变形趋势减弱，基本不发生变形。从6 月2 日起，顶底板变化量大约为2.33 mm/d，之后降低至大约0.05 mm/d，6 月17 日后基本趋于稳定。

从141011 巷道位移观测和分析可以看出，两侧和顶底板变形和变化率相对较小，变形相对稳定。

5 结论

（1）结合矿井巷道实际情况，从巷道位移变形特征和塑性区域分布等方面分析了不同地质条件下锚杆（网）-索支护方案。

（2）通过数值模拟不同间排距条件下支护情况，发现巷道围岩应力分布趋势基本相似。其中排距1.2 m 时，锚杆的锚固作用能形成一个整体，支护安全和经济性最优。

（3）现场实测发现，试验段顶板和巷道两侧累计变形较小，符合预期。