锚索桁架对沿空掘巷帮部支护效果数值模拟研究

武涛 李婧

摘 要：为了研究锚索桁架对沿空掘巷帮部的支护控制效果，利用FLAC3D分析程序进行了三维数值模拟研究，比较了锚索桁架和单体锚索对巷道两帮支护的效果。结果表明锚索桁架支护形式能够在巷道两帮中部产生较大的水平和垂直压应力，从而能有效防止巷帮的片帮及内挤变形。数值模拟结果对锚索桁架支护在深部巷道中的应用具有一定的参考意义。

关键词：沿空掘巷;锚索桁架;支护效果;数值模拟

1 绪论

在煤炭的地下开采中，为了减少资源浪费和提高煤矿的开采效益，通常需要尽可能地减小采煤工作面两侧的煤柱尺寸，留窄煤柱沿空掘巷是一个优先方法。然而，与实体煤巷道相比，沿空掘巷方法巷道支护存在着较多的不利因素。[1-3]随着采煤深度的增加，深井沿空掘巷的矿压比中浅部更为严重，巷道维护更加困难。[4-7]锚索桁架支护技术兴起于预拉力锚杆技术，于1967年在美国的煤矿业中最早得到成功应用，随后在多个国家的地下工程中得到推广，并于上世纪80年代末开始在国内得到使用和推广。锚索桁架主要由锚索和拉杆组成（如图1所示），将两根锚索锚固在稳定的岩层中，在锚索的末端，连接水平拉杆，并施加一定的预应力以形成支护整体。

为了研究锚索桁架对沿空掘巷帮部的支护效果，本文利用数值模拟的方法分别研究锚索桁架及单体锚索对沿空掘巷两帮进行支护后，两帮围岩中的应力演化规律。

2 数值模拟建模

沿空巷道由于同时受上区段工作面的侧向支承压力影响以及本工作面的超前支承压力作用，巷道的围岩变形较大，裂隙相对发育破碎，利用可以求解非线性大变形问题的模拟软件较为适宜，因此选取FLAC3D作为数值计算的模拟软件。煤矿某轨道顺槽，一侧沿上区段采空区边缘留设了5m宽的窄煤柱，巷道沿着底板掘进，沿空掘巷断面的尺寸为宽×高=5.0m×40m。同时考虑到两侧采区（各100m）及边界煤柱的尺寸，计算模型的几何尺寸为：长×宽×高=250m×120m×60m。模型的四个侧面是水平位移约束，底面是竖直位移约束，模型的上部施加垂直载荷模拟上覆岩体的重量。两帮锚索桁架的斜锚索长度为4.0m，锚索钻孔端之间的间距为2.5m，斜锚索与垂直方向的夹角為45°;两帮单体锚索的长度为4.0m，钻孔末端之间的距离为2.5m。两种支护形式中锚索的预紧力均为150kN。

3 结果分析

图2为帮锚索桁架支护与单体锚索支护情况下的预应力场分布图，据图可以得出在两种支护结构下预应力场的分布特征明显不同，主要表现为：

（1）预应力场的扩散模式明显不同。锚索桁架支护的预应力场扩散方式如下：两帮锚索桁架以斜向锚索与拉杆预紧力的合力作用点为扩散中心。单体锚索的预应力场的扩散方式是以锚索尾部预紧力的加载点为各自的扩散起始点，大致呈椭圆形分别向两侧扩散到围岩深处。

（2）预应力场的作用范围明显不同。锚索桁架支护中，预应力场的作用范围集中在锚索间一定深度的围岩体中，影响范围较大。单体锚索支护中的预应力场的范围主要集中在围岩中一定宽度的窄条带内，且一般以锚索为中心向外扩散。

如图3所示为沿空巷道中两帮部不同支护结构下围岩应力场的分布图。

两种不同支护结构的最大压应力值出现在锚索尾部附近，最大垂直压应力值差别很大，约为105.1kPa，最大水平压应力值差别不大，约为18.5kPa。单体锚索进行支护时，在巷帮锚索尾部出现最大水平压应力值约为77.1kPa;巷帮中间的水平压应力值接近0，约为0.49kPa;锚索桁架进行支护时，在巷帮锚索尾部出现的最大水平压应力值约为58.7kPa，略小于单体锚索支护时的压应力值，但在巷帮中部的水平压应力值约为698kPa，则是单体锚索支护时的14倍。综合以上分析可见，桁架锚索对于沿空掘巷帮部围岩的支护控制效果明显优于普通的单体锚索。

4 结论

（1）在锚索桁架和单体锚索预应力作用下，巷道两帮围岩中的预应力场扩散方式有明显不同，预应力场的作用范围相差也较大。锚索桁架支护结构以斜锚索和拉杆预紧力的合力作用点为扩散中心，且预应力场具有较大的作用范围。

（2）在单体锚索支护作用下，在锚索尾部附近可以产生较大的水平压应力，然而，在巷道两帮的中部，形成的水平和垂直压力值很小并且接近于0。单体锚索支护结构具有较小的影响范围。

（3）在锚索桁架支护作用下，不仅可以在锚索尾部产生较大的水平和垂直压应力。更重要的是能够在巷道帮部的中间位置处提供数十倍于单体锚索支护时的压应力，从而能够有效防止巷帮片帮及内挤变形现象的产生。

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作者简介：武涛（1983-），男，河北邢台人，本科，工程师，研究方向为矿井建设与巷道支护。