厚煤层切眼不同支护参数数值模拟研究

陈 龙

（山西焦煤集团公司 东曲煤矿，山西 太原 030200）

巷道的稳定性制约着矿井生产的效率，锚杆支护由于其低成本和高安全性的优点广泛应用于全国各地矿井。不同于以往的被动支护，锚杆支护技术成本较低，施工方便，是主动支护技术；锚索可以强化锚杆的支护效果。

本文以8号厚煤层切眼支护参数为研究背景，通过数值模拟的方法对不同支护参数下厚煤层切眼支护进行了分析。由此得出的厚煤层巷道支护技术为现场实际提供重要参考，对其它矿井厚煤层工作面巷道支护技术的选择具有重要的实践意义。

1 工程背景

8号煤层平均厚度6.8m，煤层倾角0°～5°。工作面切眼沿煤层底板掘进，切眼断面是矩形断面，宽6.5m，高2.8m，面积为18.2 m2，长度为117.5 m。回采工作面巷道支护方式为棚式支护，具体为梯形木棚支护，切眼打双排中柱，采用带帽点柱作为临时支护。

棚式支护方式的初期支护强度低，支护刚度不够，支护效果不好，而且费用昂贵，所以不能有效控制巷道围岩的稳定，故需要对8号煤层工作面巷道进行现场支护试验，从而改进支护方式。所以选择8号煤层工作面切眼采用棚式支护30m后改用锚杆支护，从而进行数值模拟研究。

2 不同支护参数下切眼支护数值模拟研究

2.1 模型的建立

依据8号煤层地质条件及其工程概况，在FLAC3D软件中建立模拟的模型，选取工作面切眼左下角为原点O，XOY平面为水平面，Z轴为垂直方向，X轴正方向向右，Y轴正方向沿切眼垂直向内，Z轴正方向垂直向上，以此为标准建立模拟网格模型。模型侧向采用铰支边界，底部采用固定边界，上面为自由边界。各个岩层的体积模量、切边模量、抗拉强度、黏聚力和内摩擦角五个力学参数根据现场实测情况施加，模型初始最大水平主应力为12.4MPa，初始最小水平主应力为8.93 MPa，初始垂直应力为10.15 MPa。为了使模拟的巷道围岩变形情况更加符合实际情况，选定巷道周围的岩层和煤层本构模型为应变软化模型，除此之外其他区域选择库伦-摩尔模型。数值模拟立体模型见图1。

图1 数值模拟立体模型

2.2 建模方案

对不同支护参数下的切眼围岩预应力扩散效果进行分析。因为锚杆索发挥支护作用的关键影响因素就是预应力，所以选择不同的锚索和锚杆支护参数，分别对不同情况下的煤岩预应力扩散效果进行分析。模拟过程拟采用原岩应力为0的条件，分析不同锚杆和锚索间距、预紧力、直径以及长度情况下的预应力效果。

2.3 结果分析

（1）不同锚杆间距下的数值模拟结果分析

图2 不同锚杆间距下的预应力云图

图2为不同锚杆间距下的切眼围岩预应力云图，从图中可以看出，锚杆间距分别为600 mm、900 mm和1200mm时，围岩应力峰值为0.51 MPa、0.50 MPa和0.48 MPa，所以锚杆间距对应力峰值的影响较小。当锚杆预应力相同时，锚杆间距主要影响预应力的范围。当锚杆间距较大时，应力区域彼此孤立，切眼围岩的稳定性随着锚杆间距的减小而提高，但是当锚杆间距减小到一定程度，围岩稳定性趋于平衡，变化较小。

（2）不同锚杆预紧力下的数值模拟结果分析

图3 锚杆不同预紧力情况下的预应力云图

图3为不同预紧力情况下预应力云图，从图中可以看出，当锚杆预紧力为0时，切眼围岩的预应力也为0，即不存在预应力场。锚杆预紧力分别为40 kN和60kN时，围岩的应力峰值分别为0.35MPa和0.50 MPa，说明切眼围岩的应力峰值随着锚杆预紧力的提高而增大。锚杆预紧力为40 kN时，整个锚杆范围都存在预应力，但预应力的作用范围不大；锚杆预紧力为60 kN时，不仅在整个锚杆范围内存在预应力，而且预应力的作用范围也变大了。

（3）不同锚杆长度下的数值模拟结果分析

图4 不同锚杆长度下的预应力云图

图4为不同锚杆长度下的预应力云图，从图中可以看出，锚杆预应力的范围随着锚杆长度的增加而扩大，具体表现为高度和宽度范围的增加。锚杆长度不足2 m时，锚杆对顶板的支护作用不是特别强，直接顶范围内压应力叠加区域应力不大，扩散范围不明显；锚杆长度超过2.2 m时，锚杆对顶板的支护作用体现的较为明显。所以锚杆对顶板的支护效果随着锚杆长度的增加而愈加明显。但是，锚杆长度也不宜过长，一方面增加成本，另一方面则是因为锚杆应该固定在性质较为稳定的岩体中，从而更好的发挥支护作用。

（4）不同锚索预紧力下的数值模拟结果分析

图5 不同锚索预紧力下的预应力云图

图5为不同锚索预紧力下的预应力云图，其中锚索长度为6.3 m，从图中可以看出，当锚索预紧力分 别为50kN、100kN、150kN和200 kN时，切眼围岩的压应力峰值分别为0.4 MPa、0.65 MPa、0.85 MPa和1.13 MPa，这说明围岩的压应力峰值随着锚索预紧力的提高而升高。围岩的压应力区域叠加效果随着锚索预紧力的提高而变得愈加明显，也就是沿锚索长度方向和巷道宽度方向的预应力效果随着锚索预紧力的提高而明显。

3 巷道支护方式设计

根据数值模拟结果分析，对巷道的初步支护设计方案为：锚杆和锚索联合支护，并且对锚固段进行树脂加长锚固。以下为具体方案：

1）顶板支护

锚杆选择长度为2.4m的18号左旋无纵肋高强度螺纹钢筋，锚杆尾部是直径为M20的螺纹。顶板左右两端的第一根锚杆要与顶板法线呈10°角，其他位置的锚杆与法线重合。锚杆间距为0.9 m，预紧力矩为300N·m；排距为0.8m，每排布置8根锚杆。

锚索直径为15.24mm，长度为6.3 m，预紧力为150kN，需要加长锚固。锚索排距为1.2 m，每排1根。

2）巷帮支护

靠近工作面一侧的锚杆选择直径为18 mm的玻璃钢锚杆，长度为2m；煤柱一侧锚杆选择18号左旋无纵肋高强度螺纹钢筋，长度为2.4 m；锚杆尾部选择M20螺纹。两帮的上下位置锚杆与水平方向成10°夹角，其他锚杆与水平方向平行布置。锚杆间距和排距都为0.8m，每排布置4根锚杆。

具体巷道支护布置见图6。

图6 巷道具体支护布置

4 结语

以8号煤厚煤层工作面为研究背景，通过数值模拟的方法，研究不同支护参数下对切眼支护的影响，主要结论如下：

1）当锚杆预应力相同时，锚杆间距主要影响预应力的范围；围岩的应力峰值随着锚杆预紧力的提高而增大；锚杆对顶板的支护效果随着锚杆长度的增加而愈加明显。但是，锚杆长度也不宜过长，一方面增加成本，另一方面则是因为锚杆应该固定在性质较为稳定的岩体中，从而更好的发挥支护作用；围岩的压应力峰值随着锚索预紧力的提高而升高。围岩的压应力区域叠加效果随着锚索预紧力的提高而变得愈加明显。

2）顶板支护：锚杆选择长度为2.4m的18号左旋无纵肋高强度螺纹钢筋，锚杆间距为0.9 m，排距为0.8m，每排布置8根锚杆。锚索直径为15.24 mm，长度为6.3m。锚索排距为1.2 m，每排1根。

3）巷帮支护：靠近工作面一侧的锚杆选择直径为18mm的玻璃钢锚杆，长度为2 m；煤柱一侧锚杆选择18号左旋无纵肋高强度螺纹钢筋，长度为2.4m，锚杆间距和排距都为0.8m，每排布置4根锚杆。