厚煤層切眼不同支護參數(shù)數(shù)值模擬研究

陳 龍

（山西焦煤集團公司 東曲煤礦，山西 太原 030200）

巷道的穩(wěn)定性制約著礦井生產(chǎn)的效率，錨桿支護由于其低成本和高安全性的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于全國各地礦井。不同于以往的被動支護，錨桿支護技術(shù)成本較低，施工方便，是主動支護技術(shù)；錨索可以強化錨桿的支護效果。

本文以8號厚煤層切眼支護參數(shù)為研究背景，通過數(shù)值模擬的方法對不同支護參數(shù)下厚煤層切眼支護進行了分析。由此得出的厚煤層巷道支護技術(shù)為現(xiàn)場實際提供重要參考，對其它礦井厚煤層工作面巷道支護技術(shù)的選擇具有重要的實踐意義。

1 工程背景

8號煤層平均厚度6.8m，煤層傾角0°～5°。工作面切眼沿煤層底板掘進，切眼斷面是矩形斷面，寬6.5m，高2.8m，面積為18.2 m2，長度為117.5 m?；夭晒ぷ髅嫦锏乐ёo方式為棚式支護，具體為梯形木棚支護，切眼打雙排中柱，采用帶帽點柱作為臨時支護。

棚式支護方式的初期支護強度低，支護剛度不夠，支護效果不好，而且費用昂貴，所以不能有效控制巷道圍巖的穩(wěn)定，故需要對8號煤層工作面巷道進行現(xiàn)場支護試驗，從而改進支護方式。所以選擇8號煤層工作面切眼采用棚式支護30m后改用錨桿支護，從而進行數(shù)值模擬研究。

2 不同支護參數(shù)下切眼支護數(shù)值模擬研究

2.1 模型的建立

依據(jù)8號煤層地質(zhì)條件及其工程概況，在FLAC3D軟件中建立模擬的模型，選取工作面切眼左下角為原點O，XOY平面為水平面，Z軸為垂直方向，X軸正方向向右，Y軸正方向沿切眼垂直向內(nèi)，Z軸正方向垂直向上，以此為標(biāo)準(zhǔn)建立模擬網(wǎng)格模型。模型側(cè)向采用鉸支邊界，底部采用固定邊界，上面為自由邊界。各個巖層的體積模量、切邊模量、抗拉強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角五個力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實測情況施加，模型初始最大水平主應(yīng)力為12.4MPa，初始最小水平主應(yīng)力為8.93 MPa，初始垂直應(yīng)力為10.15 MPa。為了使模擬的巷道圍巖變形情況更加符合實際情況，選定巷道周圍的巖層和煤層本構(gòu)模型為應(yīng)變軟化模型，除此之外其他區(qū)域選擇庫倫-摩爾模型。數(shù)值模擬立體模型見圖1。

圖1 數(shù)值模擬立體模型

2.2 建模方案

對不同支護參數(shù)下的切眼圍巖預(yù)應(yīng)力擴散效果進行分析。因為錨桿索發(fā)揮支護作用的關(guān)鍵影響因素就是預(yù)應(yīng)力，所以選擇不同的錨索和錨桿支護參數(shù)，分別對不同情況下的煤巖預(yù)應(yīng)力擴散效果進行分析。模擬過程擬采用原巖應(yīng)力為0的條件，分析不同錨桿和錨索間距、預(yù)緊力、直徑以及長度情況下的預(yù)應(yīng)力效果。

2.3 結(jié)果分析

（1）不同錨桿間距下的數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2 不同錨桿間距下的預(yù)應(yīng)力云圖

圖2為不同錨桿間距下的切眼圍巖預(yù)應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，錨桿間距分別為600 mm、900 mm和1200mm時，圍巖應(yīng)力峰值為0.51 MPa、0.50 MPa和0.48 MPa，所以錨桿間距對應(yīng)力峰值的影響較小。當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力相同時，錨桿間距主要影響預(yù)應(yīng)力的范圍。當(dāng)錨桿間距較大時，應(yīng)力區(qū)域彼此孤立，切眼圍巖的穩(wěn)定性隨著錨桿間距的減小而提高，但是當(dāng)錨桿間距減小到一定程度，圍巖穩(wěn)定性趨于平衡，變化較小。

（2）不同錨桿預(yù)緊力下的數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3 錨桿不同預(yù)緊力情況下的預(yù)應(yīng)力云圖

圖3為不同預(yù)緊力情況下預(yù)應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，當(dāng)錨桿預(yù)緊力為0時，切眼圍巖的預(yù)應(yīng)力也為0，即不存在預(yù)應(yīng)力場。錨桿預(yù)緊力分別為40 kN和60kN時，圍巖的應(yīng)力峰值分別為0.35MPa和0.50 MPa，說明切眼圍巖的應(yīng)力峰值隨著錨桿預(yù)緊力的提高而增大。錨桿預(yù)緊力為40 kN時，整個錨桿范圍都存在預(yù)應(yīng)力，但預(yù)應(yīng)力的作用范圍不大；錨桿預(yù)緊力為60 kN時，不僅在整個錨桿范圍內(nèi)存在預(yù)應(yīng)力，而且預(yù)應(yīng)力的作用范圍也變大了。

（3）不同錨桿長度下的數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4 不同錨桿長度下的預(yù)應(yīng)力云圖

圖4為不同錨桿長度下的預(yù)應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，錨桿預(yù)應(yīng)力的范圍隨著錨桿長度的增加而擴大，具體表現(xiàn)為高度和寬度范圍的增加。錨桿長度不足2 m時，錨桿對頂板的支護作用不是特別強，直接頂范圍內(nèi)壓應(yīng)力疊加區(qū)域應(yīng)力不大，擴散范圍不明顯；錨桿長度超過2.2 m時，錨桿對頂板的支護作用體現(xiàn)的較為明顯。所以錨桿對頂板的支護效果隨著錨桿長度的增加而愈加明顯。但是，錨桿長度也不宜過長，一方面增加成本，另一方面則是因為錨桿應(yīng)該固定在性質(zhì)較為穩(wěn)定的巖體中，從而更好的發(fā)揮支護作用。

（4）不同錨索預(yù)緊力下的數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖5 不同錨索預(yù)緊力下的預(yù)應(yīng)力云圖

圖5為不同錨索預(yù)緊力下的預(yù)應(yīng)力云圖，其中錨索長度為6.3 m，從圖中可以看出，當(dāng)錨索預(yù)緊力分 別為50kN、100kN、150kN和200 kN時，切眼圍巖的壓應(yīng)力峰值分別為0.4 MPa、0.65 MPa、0.85 MPa和1.13 MPa，這說明圍巖的壓應(yīng)力峰值隨著錨索預(yù)緊力的提高而升高。圍巖的壓應(yīng)力區(qū)域疊加效果隨著錨索預(yù)緊力的提高而變得愈加明顯，也就是沿錨索長度方向和巷道寬度方向的預(yù)應(yīng)力效果隨著錨索預(yù)緊力的提高而明顯。

3 巷道支護方式設(shè)計

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，對巷道的初步支護設(shè)計方案為：錨桿和錨索聯(lián)合支護，并且對錨固段進行樹脂加長錨固。以下為具體方案：

1）頂板支護

錨桿選擇長度為2.4m的18號左旋無縱肋高強度螺紋鋼筋，錨桿尾部是直徑為M20的螺紋。頂板左右兩端的第一根錨桿要與頂板法線呈10°角，其他位置的錨桿與法線重合。錨桿間距為0.9 m，預(yù)緊力矩為300N·m；排距為0.8m，每排布置8根錨桿。

錨索直徑為15.24mm，長度為6.3 m，預(yù)緊力為150kN，需要加長錨固。錨索排距為1.2 m，每排1根。

2）巷幫支護

靠近工作面一側(cè)的錨桿選擇直徑為18 mm的玻璃鋼錨桿，長度為2m；煤柱一側(cè)錨桿選擇18號左旋無縱肋高強度螺紋鋼筋，長度為2.4 m；錨桿尾部選擇M20螺紋。兩幫的上下位置錨桿與水平方向成10°夾角，其他錨桿與水平方向平行布置。錨桿間距和排距都為0.8m，每排布置4根錨桿。

具體巷道支護布置見圖6。

圖6 巷道具體支護布置

4 結(jié)語

以8號煤厚煤層工作面為研究背景，通過數(shù)值模擬的方法，研究不同支護參數(shù)下對切眼支護的影響，主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力相同時，錨桿間距主要影響預(yù)應(yīng)力的范圍；圍巖的應(yīng)力峰值隨著錨桿預(yù)緊力的提高而增大；錨桿對頂板的支護效果隨著錨桿長度的增加而愈加明顯。但是，錨桿長度也不宜過長，一方面增加成本，另一方面則是因為錨桿應(yīng)該固定在性質(zhì)較為穩(wěn)定的巖體中，從而更好的發(fā)揮支護作用；圍巖的壓應(yīng)力峰值隨著錨索預(yù)緊力的提高而升高。圍巖的壓應(yīng)力區(qū)域疊加效果隨著錨索預(yù)緊力的提高而變得愈加明顯。

2）頂板支護：錨桿選擇長度為2.4m的18號左旋無縱肋高強度螺紋鋼筋，錨桿間距為0.9 m，排距為0.8m，每排布置8根錨桿。錨索直徑為15.24 mm，長度為6.3m。錨索排距為1.2 m，每排1根。

3）巷幫支護：靠近工作面一側(cè)的錨桿選擇直徑為18mm的玻璃鋼錨桿，長度為2 m；煤柱一側(cè)錨桿選擇18號左旋無縱肋高強度螺紋鋼筋，長度為2.4m，錨桿間距和排距都為0.8m，每排布置4根錨桿。