夹矸煤层巷道锚杆支护角锚杆倾斜角度的确定及稳定性研究

牛 煜

（内蒙古工业大学 矿业学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

夹矸煤层巷道锚杆支护角锚杆倾斜角度的确定及稳定性研究

牛 煜

（内蒙古工业大学 矿业学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

针对国内某大型矿井工作面顺槽的现场条件，以整体锚固理论为指导，采用理论分析与数值计算相结合方法，研究不同锚杆支护方案下巷道的应力场变化情况。研究结果表明：采用整体锚固能够使巷道围岩形成一个整体锚固带，即锚固应力压缩带，角锚杆不同的倾斜角度会产生不同的整体锚固效果；煤层巷道顶板、两帮及底板由于层状分布而整体性差，在利用锚杆支护时，应采用整体锚固支护技术，以使其形成整体的锚固结构；顶板和两帮的角锚杆随着倾斜角度的增大，巷道锚固体间的缝隙逐渐变小，直至完全成为一个整体；当顶角锚杆、底角锚杆倾斜角度达到一定值时，最大主应力场在巷道周围形成了一个完整的压缩带，即整体锚固，此事如果角度继续增大，锚固效果将逐渐降低。

夹矸煤层；锚杆支护；稳定性；数值计算

1 概述

煤矿巷道支护是煤矿安全生产的一个主要问题。目前，锚杆支护因其成本较低、支护效率较高在煤层巷道中得到广泛应用；然而，锚杆支护的方案设计还存在理论指导不足的问题[1-3]。近年来，锚杆支护理论层出不穷，被人们普遍接受的有：悬吊理论、减跨理论、组合梁理论、挤压加固理论、楔固理论、最大水平应力理论、锚杆桁架作用机理、锚注支护理论、锚杆支护围岩强度强化理论、松动圈支护理论、剪胀锚固理论、整体锚固理论，其中，整体锚固理论对于煤层巷道的支护设计起着重要指导的作用[4-7]。为了确定我国某大型矿井工作面顺槽支护方案，在整体锚固理论的指导下，利用大型数值计算软件，确定不同锚固方式下巷道的变形及应力分布，据此确定巷道的合理支护方案。这项研究成果可为矿井安全支护和安全生产提供了理论依据。

2 数值计算模型的建立

该矿工作面开采煤层附近的岩层综合柱状图，见图1。煤层埋深约430m，顶、底板岩层以泥岩、砂岩为主，煤层中的层理发育，各分层煤体力学参数差异较大[8]。3302巷道布置在该煤层中，断面尺寸4.2m×3.3m，巷道沿煤层底板掘进，巷道两帮及顶板以煤为主，在建立数值计算模型时，顶板煤层中考虑3层夹矸。通过现场取芯，并在岩石力学实验室测定的物理力学参数、交叉口的岩石力学参数，见表1。

表1 数值计算岩层分布和物理力学参数表

模型除上边界外的五个边界面的法向位移固定；上边界施加均布压力，以模拟上覆岩层压力，并施加重力场。为了研究整体锚固对巷道围岩的支护效果，利用整体锚固理论，分别设计了锚杆倾斜角度的三种支护方案：方案一：巷道顶板采用5根锚杆支护，锚杆间距0.8m，锚杆长度2.4m；每侧巷道帮部采用4根锚杆支护，锚杆间距0.8m，锚杆长度2.2m，顶锚杆和帮锚杆全部采用垂直巷道表面安装。方案二：顶板角锚杆、巷道帮部顶角锚杆和底角锚杆采用倾斜20°的方式安装，其它锚杆安装方式同方案一；方案三：顶板角锚杆安装角度变为30°，其它锚杆安装方式同方案二。

表1 数值计算岩层分布和物理力学参数表

3 巷道支护的稳定性分析

为了分析三种方案的支护效果，选取每种方案的巷道围岩最大主应力云图分析。

从图2可看出，巷道顶板上方压缩带和两帮压缩带各自是一个独立的锚固体结构，帮部锚杆形成的支护压应力区和顶板锚杆形成的支护压应力区基本是三个独立的区域。在巷道的顶角处存在顶板锚固体结构和帮部锚固体结构的空隙带，这对巷道的稳定性控制带来很多不利因素。

图2 方案一 最大主应力云图

图3 方案二 最大主应力云图

图4 方案三 最大主应力云图

从图3可以看出，巷道顶板上方压缩带和两帮压缩带形成了一部分叠加，巷道帮部锚固体结构和顶板锚固体结构已经连通，但在巷道的顶角处仍然存在一小部分锚固体的空隙带，这对巷道围岩稳定性的整体控制仍然存在一些不利。

从图4可看出，巷道顶板上方压缩带和两帮压缩带叠加到了一起，形成了一个整体的压缩带，巷道顶板锚固体和两帮锚固体已成为一个整体锚固结构，这种整体锚固结构对巷道围岩稳定性非常有利。从模拟结果看出，随着角锚杆角度的增大，顶板锚固体和帮部锚固体的范围逐渐增大，冒土体之间的缝隙也逐渐减小，当锚杆倾斜角度到达一定数值时，锚固体连为一体，最后形成一个整体锚固体结构，其巷道围岩的压缩带彼此叠加、重合，形成了大范围的压应力带。

综合以上分析，顶角锚杆、底角锚杆随着偏移角度的增大，巷道周围围岩的位移场整体趋势不变，铅垂应力场和水平应力场发生了明显改变。随着角度的增大，水平应力场在两帮煤壁处压缩带范围朝顶底方向扩大，铅垂应力场在顶板上方压缩带范围朝两帮方向扩大，最大主应力场在巷道两帮和顶板的压缩带叠加程度越来越大，当顶角锚杆、底角锚杆倾斜角度达到一定值时，最大主应力场在巷道周围形成了一个完整的压缩带，即整体锚固。

4 结论

煤层巷道支护问题历来是采矿工程中复杂而又难以控制的问题之一；尤其是在巷道围岩较破碎的情况下，由于受到岩层厚度、工作面埋深、地质构造、开采工艺、巷道尺寸及形状等因数的影响，不同的现场条件应该采用不同的支护手段。通过研究国内某大型煤矿工作面顺槽整体锚固技术，主要得到以下结论：1）煤层巷道顶板、两帮及底板由于层状分布而整体性差，利用锚杆支护时，应该采用整体锚固支护技术，以使其形成整体的锚固结构。2）顶板和两帮的角锚杆随着倾斜角度的增大，巷道锚固体间的缝隙逐渐变小，直至完全成为一个整体。3）当顶角锚杆、底角锚杆倾斜角度达到一定值时，最大主应力场在巷道周围形成了一个完整的压缩带，即整体锚固；此时如果角度继续增大，锚固效果将会逐渐降低。

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[3]牛少卿.长壁开采三顺槽围岩控制理论技术研究[D].太原：太原理工大学，2011.

[4]王思红，牛少卿，寇永嘉.松软破碎硐室群围岩稳定性数值分析[J].山西煤炭，2010，30(7):40-42.

[5]毛华晋，牛少卿，颜文艳.长壁开采条件下巷道三岔口稳定性研究[J]，山西煤炭，2011，31(1):39-41.

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[9]田柯，田取珍.锚杆支护参数对巷道围岩稳定性影响研究[J].山西煤炭，2011，31(5):44-47.

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[11]Itasca Consulting Group,Inc.USA.FLAC3D[M].Fast Lagranginan Analysis of Continua in 3 Dimensions,version 3.0,User'sManual.

Determination of Inclination Angle and Stability Study of Bolting in Seams with Dirt Band

NIU Yu
(College of Mining,Inner Mongolia University of Technology,Huhhot Inner Mongolia,010051)

Based on the field situation of working face crossheading of one large-scale mine and thewhole bolted structure theory,theoretical analysis and numerical calculation are combined to study stress fieldvariation under different supporting plans.The results show that:the whole bolted structure enables thesurrounding rocks to form a whole bolted belt,anchoring stress compaction band;different inclination anglesof angle anchor have different effects;because of poor integration caused by layer distribution of coal seamroof,two sides,and floor,the whole bolted structure should be used.With the increasing inclination of theangle anchors of roof and two sides,the cracks between the bolted structure decrease gradually until a wholestructure appear;when the inclination angles of top and bottom angle anchors attain to a certain value,themaximum principal stress field forms a complete compaction belt,the whole bolted structure,but if the angleincrease continues,the supporting effectswill drop gradually.

seam with dirtband;bolting;stability;numerical calculation

TD353

A

2011-09-27

牛 煜（1983—），男，山西太原人，硕士，讲师，从事煤层气开发与煤矿瓦斯防治的研究与教学工作。

徐树文