深部巷道锚网索联合支护效果模拟分析

张智鹏

(孝义市煤炭工业局，山西 孝义 032300)

1 前言

深部巷道围岩支护一直是国内众多学者研究和重视的一个课题，深部巷道围岩支护效果直接关系到巷道维护和使用周期，并且支护方案的经济效益也非常重要。国内众多学者对巷道支护方案等研究在业界取得了广泛的认可，研究结果显示不同的支护方案在围岩地质条件发生改变时其支护效果会发生很大的改变。为分析深部巷道锚网索支护条件下的围岩变形情况，本文假设一个地质采矿条件，采用数值模拟的方法对深部开采锚网索支护的效果进行研究。

2 锚杆支护效果分析

煤矿生产期间，锚杆支护在开采浅部时支护效果较好，但随着开采深度的增加，围岩压力的加大，巷道支护效果与浅部相比有很大的差别。顶板下沉、两帮内移，尤其底鼓严重，局部地区锚杆不同程度的发生弯曲断裂、剪断、拉断情况，且当巷道变形量较大时，组合构件经常被压穿、剪断，严重影响了支护效果。

为分析深部巷道采用锚杆支护时的围岩变形情况，收集了河北、河南、山西和陕西等多个矿井的深部开采两帮和顶板的围岩变形观测数据。其中收集到两帮变形位移数据5组，顶板观测到的位移数据6组，根据观测数据绘出的两帮表面收敛和顶板表面下沉曲线分别见图1和图2。

图1 副暗斜井两帮位移曲线

图2 副暗斜井顶板位移曲线

对图1和2进行分析，可看出在锚杆支护完成后100d内巷道的变形速度较快，100d之后变形速度趋缓，但巷道的变形仍然持续，变形量仍然逐渐增加，观测到第200d时两帮的位移量最大值达到了240mm，顶板的下沉量最大值达到了350mm。

从上述的两组观测数据可以看出，锚杆支护对深部开采巷道围岩变形没有起到有效的控制作用。锚杆的强度低、预应力较低，带来锚杆支护的刚度低，支护效果不理想。随着时间的推移巷道变形仍然持续，锚杆支护没有起到预期的支护效果。

3 假设矿井工程概况

假设某煤矿开采-920m水平，开采区域煤层倾角4°～7°，倾角较小，地质构造较为简单，无断层经过。根据矿井开采情况以及煤层赋存条件，副暗斜井从-760m标高水平的轨道大巷沿煤层延深至-920m标高水平。副暗斜井直接顶为厚3m粉砂岩，老顶为厚6m的中砂岩，直接底为厚3m的细砂岩，煤层厚度为3.5m。该矿地面标高在+80m，二水平副暗斜井的开掘深度为840～1 040m，上覆岩层的平均容重约为25kN/m3。

该假设煤矿二水平现有支护方式为锚杆+金属网联合支护，具体支护参数如下。

(1)顶板采用金属锚杆，直径22mm，长度2 400mm，锚杆间排距为800mm×800mm。全长锚固或加长锚固锚杆用螺纹钢锚杆。

(2)巷帮支护。巷道锚杆直径22mm，长度2 400mm，锚杆间距700mm，排距800mm。设计锚固力不低于40kN，根据巷道断面、煤层厚度与强度、节理裂隙发育程度等因素确定巷帮锚杆的形式与参数。

(3)锚杆孔径与锚杆杆体锚固段直径之差保持在6～10mm范围内。

(4)顶板靠巷道两帮的锚杆向巷道倾斜15°～30°。

为改善深部巷道的支护效果，经过研究在原有锚杆支护条件不变的基层之上，在两帮和顶板都加打两个锚索以控制巷道围岩变形，锚索直径为2cm，锚索长度为600cm。

4 锚网索联合支护效果模拟分析

4.1 数值模拟模型建立

本次模拟采用FLAC3D有限差分数值模拟软件，为了更好地反映地下岩体变形本构模型选取莫尔—库仑塑性模型，本次模拟副暗斜井埋深1 100m位置的巷道作为研究对象，模型在X轴方向取60m，在Z轴方向取70m，在Y轴方向取20m作为建模区域，模型如图3。

图3 数值分析基本模型

4.2 锚网索联合支护效果

4.2.1 位移分析

在锚网索联合支护条件下，矩形巷道围岩变形情况在一定程度上得到控制，巷道在开挖支护完毕达到稳定状态后，如图4所示。

图4 锚杆锚索协同支护下矩形巷道变形云图

从图4a所示的垂直位移云图可看出，顶板的最大下沉量为133.52mm，最大下沉范围在顶板锚杆锚索端头受力区域；底板的最大底鼓量为94.644mm，最大底鼓量出现在巷道顶板中部位置，并向两侧逐渐减小。巷道围岩水平位移云图4b显示巷道围岩的两帮变形量基本呈现对称方式，左右帮的位移量分别为105.98mm和105.76mm，受顶板应力影响，最大位移范围主要集中在巷道中下部。

巷道开挖支护的顶底板位移变化曲线如图5所示。

从图5可以看出，巷道在开掘之后顶底板围岩位移发生强烈变化，变化速率较大，进行支护后，围岩位移变化速率开始有所下降，直至平稳到一个较为恒定的数值，顶板位移为84mm，底板位移为62mm。水平方向上两帮位移曲线变化速率相对垂直方向上顶底板位移速率较小，两帮的位移量基本上都在60mm左右，相对平稳。

4.2.2 应力分析

巷道掘支后的围岩应力云图如图6所示。

图5 巷道围岩变形变化曲线

图6 锚网索联合支护时矩形巷道围岩应力云图

从图6a可以看出，在锚网索联合支护条件下，在竖直方向上巷道顶板4～6m范围内受到锚索加固作用，围岩应力出现了较为明显的减小，其分布特点为两帮小、顶底板较大；从图6b可以看出，在水平方向上巷道两帮2.4～6m范围内，围岩受到锚杆锚索的加固作用，应力由两帮向外呈现平稳增大趋势，且受底板应力集中区域影响，在两帮的中下部表现较为明显，其分布特点为底板和两帮大、顶板小。

5 结论

(1)通过实测分析得出深部巷道采用锚杆支护时的围岩变形量大，巷道的控制效果不佳，在生产中不能满足生产需求。

(2)采用数值模拟的方法对采用锚网索联合支护后的围岩位移和受力情况进行了分析，分析结果显示巷道围岩位移明显减小，而且巷道应力分布均匀。说明采用锚网索联合支护的巷道稳定性得到提高，改善效果明显。

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