首山矿锚杆支护参数优化效果研究

曹小勋

（大唐陕西府谷煤电有限责任公司，陕西 榆林719000）

引言

由于煤层开采向深部发展，煤层所处原始应力也随之增高[1-2]，结果导致巷道围岩松动圈变大。根据围岩松动圈理论[3-6]确定锚杆支护各种参数时，锚杆支护参数（如锚杆直径、长度、间排距）主要受到松动圈大小的影响。长期以来，众多学者针对如何提高、完善锚杆支护效果进行了深入研究，文献[7]认为巷道之所以发生变形破坏，其中一个重要原因就是支护结构或者锚杆支护的参数不够合理，此外作者还认为，对巷道的支护应该突出重点，在巷道变形破坏较严重的关键部位可以加强支护，从而更加有效的控制巷道的整体变形；文献[8]认为，回采巷道锚杆支护在工作面回采之前，支护结构已经趋于稳定，但是在工作面回采开始之后，超前采煤工作面一定范围内，回采巷道锚杆支护将会受到超前支承压力的强烈影响；文献[9]认为，根据我国现在锚杆支护领域存在的普遍问题，总结提出了2种主要的锚杆设计方法。

首山矿11061回风巷道埋深达到600m，但是该巷道锚杆支护参数依然与浅埋深巷道一致，其锚杆支护参数（如锚杆直径、长度、间排距）已经不能满足支护要求，因此矿方对原支护方案进行了优化。本文运用数值模拟、现场实测的方案对优化方案支护效果进行了研究，为深部巷道锚杆支护参数的优化提供了技术支持。

1 原方案和优化方案对比

首山矿煤层倾角平均11°，煤层厚度为4.1m。11061回风巷道为全煤层巷道，巷道断面形状为直墙半圆拱，净宽4m，墙高1.4m。原支护参数见图1（a），锚杆规格为φ20×1800mm，锚杆间排距为800mm×800mm，锚杆外露长度为50mm，每一根锚杆配2卷树脂锚固剂，喷层厚度为50mm。优化方案支护参数见图1（b），优化方案主要在原方案基础上“加长锚杆+关键部位加密锚杆”，具体为：①锚杆规格由φ20×1800mm变为φ20×2400mm；②在巷道右拱肩加设一排锚杆，锚杆与水平面夹角为60°；③在巷道两帮和底板各加设一排锚杆，底板锚杆与水平面夹角为45°，两帮锚杆与水平面夹角为10°。

2 支护方案模拟分析

2.1 建立模型

运用有限差分软件FLAC3D进行数值模拟，由于煤层倾角较小，煤岩层在建模时均设置为0°。模型长、宽、高分别为30m、25m、5m，模型共计22350个单元，23476个节点。模型上边界设置为自由面，施加上覆岩层自重应力，约为17.5MPa；模型其它边界均设置为固定边界。由于煤层埋深较大，并且没有构造影响，应力状态接近静水压力状态，水平应力与垂直应力接近，因此侧压系数取1。煤岩层的破坏准则为Mohr－Coulomb准则，采用cable命令生成锚杆(索)，采用shell命令生成混凝土喷层。各层煤岩层物理力学参数图表1所示。

2.2 模拟结果分析

两方案的围岩位移分布如图2所示。分析图2（a）和图2（d）可知，最大水平位移出现在两个拱肩的下部，原支护方案为325mm，优化支护方案为118mm，优化方案比原方案减小了63.6%；分析图2（b）和图2（e）可知，最大垂直位移出现在底板，原支护方案为260mm，优化支护方案为120mm，优化方案比原方案减小了63.6%；分析图2（c）和图2（f）可知，巷道采用优化方案后总位移量明显减小。

3 工程应用效果

图2 两方案围岩位移分布比较

优化方案在11061回风巷道进行了应用。分析巷道围岩位移量-时间曲线（图3）可知，巷道掘进开始阶段围岩变形比较剧烈（即图3中剧烈区），随后巷道变形进入缓慢增加阶段（即图3中趋稳区），最后围岩位移进入稳定阶段（即图3中稳定区）。稳定后巷道顶底板移近量64mm，两帮移近量66mm，巷道围岩变形控制较好。

图3 11061 回风巷道围岩位移量变化曲线

4 结论

随着煤矿开采深度增加，11061回风巷道锚杆支护参数需要进行优化。FLAC3D模拟结果表明：优化方案最大水平位移减少了63.6%，最大垂直位移减少了54.9%。现场应用表明：采用优化方案后，巷道支护效果较好，巷道顶底板移近量64mm，两帮移近量66mm，本文研究成果为深部巷道锚杆支护参数优化提供了技术参考。

［1］张洪乐，刘志强，王飞.煤矿巷道锚喷支护参数优化［J］.煤矿安全，2011，42（4）:116-118.

［2］董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及应用技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2001.

［3］董方庭，宋宏伟，郭志宏.巷道围岩松动圈支护理论［J］.煤炭学报，1994（1）.

［4］朱永建，马念杰.基于松动圈围岩分类法煤帮锚杆支护设计［J］.煤炭科学技术，2006，34（7）:30-33.

［5］何满潮，袁和生，靖洪文.中国煤矿锚杆支护理论与实践［M］.北京:科学出版社，2004:46-50.

［6］靖洪文，付国彬，董方庭.深井巷道围岩松动圈预分类研究［J］.中国矿业大学学报，1996，25（2）:45-49.

［7］王文龙，靖洪文，杨大林.高水平应力软岩巷道破坏机理分析及对策［J］.煤矿安全，2010（9）:129-132.

［8］于先富，阎石.回采巷道锚杆支护设计［J］.煤 炭技术.2008，27（2）:48-50.

［9］孙晓明，张国锋，蔡峰，等.深部倾斜岩层巷道非对称变形机制及控制对策［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（6）:1137-1144.