锚杆锚索联合支护的结构设计及数值模拟分析

2020-04-12杨扬

机械管理开发 2020年12期

杨扬

（山西焦煤集团有限责任公司杜儿坪煤矿，山西太原030022）

引言

一直以来，煤矿安全生产备受企业和作业人员的关注。实际生产中，综采设备的可靠性和对工作面巷道围岩的有效控制是保障煤矿安全生产的基础。就工作面巷道围岩控制效果而言，其主要受制于工作面巷道的支护效果和质量。锚杆锚索联合支护为煤矿生产中常见的支护方式，其目前被广泛应用于小跨度矩形煤巷的支护中，而对于大跨度矩形煤巷的支护方案还有待进一步优化和改进[1]。本文着重研究锚杆锚索联合支护在大跨度、大断面岩层和煤层中的结构设计，并对支护效果进行数值模拟分析。

1 工程概况

某煤矿的设计生产能力为6 Mt/年，该煤矿切眼跨度的宽度范围在8.6～10.6 m之间，切眼高度为3.6 m，属于大跨度、大断面煤矿。以某煤矿的107工作面为研究对象，该工作面煤层的平均厚度为4.5 m，煤层的普式硬度为2，该工作面煤层的厚度和层位相对稳定，属于稳定煤层。107工作面的顶底板情况如表1所示。

表1 107工作面顶底板情况

经现场勘测可知：107工作面的走向长度为260m，工作面巷道断面的形状为矩形，且矩形的宽度为8.6 m，高度为3.6 m，属于大跨度煤巷。

2 大跨度煤巷支护方案的确定

经统计，目前可应用于综采工作面的支护方案包括有：锚杆支护，锚杆与金属网联合支护，锚杆、金属网与梁的联合支护，锚杆与喷射混凝土的联合支护以及锚杆、网、梁、喷射混凝土的联合支护。

其中，锚杆支护适用于巷道相对完整且坚硬的工作面，在支护中容易出现支撑松动或巷道围岩被破坏的现象；为此，在锚杆支护的基础上加网变相增大了锚杆支护的作用范围，但锚杆与网的联合支护无法满足巷道破坏且变形较大的巷道。因此，在锚杆与网联合支护的基础上为其增加了锚梁，虽然进一步提升了支护的可靠性，但是，鉴于锚杆长度的局限性导致该种支护方式仅有效适用于小跨度煤巷[2]。为解决锚杆长度局限的问题，一般将锚杆支护联合应用。在实际应用中，可在锚杆、网以及锚梁联合支护的基础上增加锚索支护，以提升锚杆支护的适用范围。

因此，针对107工作面大跨度煤层的特点，采用锚杆、锚索、金属网以及锚梁的联合支护方案。

3 锚杆锚索联合支护的结构设计

根据107工作面的地质、水文以及煤层条件，初步设定部分支护参数如下页图1所示。

如图1所示，107工作面所采用锚索支护的间距为1.4 m，锚索排间距为1.4 m；对应顶部锚杆的间距为700 mm，锚杆排间距为700 mm；对应帮部锚杆的间距为1 000 mm，锚杆排间距为1 000 mm，所选锚杆包括有玻璃锚杆和金属锚杆。

3.1 锚索具体参数的确定

根据107工作面在实际生产中的顶板压力等参数的测定结果，结合不同直径锚杆所承受的承载力和抗拉强度不同。本工作面最终选择锚索直径为21.8 mm。结合107工作面在实际生产中可能存在冒落的最大高度为7 m，且顶板冒落后要求锚索深入其中的深度最少为1 m，锚索的外露长度为0.3 m，锚索的锚固长度为2 m，理论上锚索的长度应为10.3 m。但是，由于工作面煤层、地质条件的动态变化，最终将锚索长度确定为12.3 m。

图1 锚杆锚索联合支护参数的初步设计（单位：mm）

因此，经分析可得锚索的直径为21.8 mm，锚索长度为12.3 m。

3.2 锚杆参数的确定

同样，根据锚杆参数的确定原理，最终确定锚杆的直径为20 mm，锚杆锚固长度为500 mm，锚杆长度为2 500 mm。

3.3 金属网参数的确定

金属网采用网格为100 mm×100 mm，金属网所铺设的长度为4 800 mm。与金属网相匹配钢托的材质为Q235钢，钢托的规格尺寸为150 mm×150 mm×10 mm。

3.4 锚梁型号的选型

锚梁即为锚索的托梁，根据锚索所承受的最大承载力，本方案选择制造锚梁的原材料为16号槽钢[3]。

4 锚杆锚索联合支护的数值模拟分析

为验证锚杆锚索联合支护对107工作面巷道围岩的控制效果和支护质量，本文基于FLAC3D软件建立巷道模型，并对支护后巷道及锚杆、锚索的状态进行数值模拟分析[4]。

首先，根据107工作面巷道的形状建立数值模拟模型，并保证模型的高度和宽度与实际参数相符。107工作面基于FLAC3D的数值模拟模型见图2。

图2 107工作面数值模拟模型

根据107工作面的围岩力学参数和所采用支护方案中锚杆、锚索以及金属网、锚梁的力学和几何参数，对如图2所示的模型进行设置。模型设置完毕后，分别对无支护和支护状态下顶板的下沉量和最大主应力进行对比，对比仿真结果如表2所示。

表2 仿真结果对比

如表2所示，对107工作面巷道采用锚杆锚索联合支护后，工作面顶板的下沉量明显减小，即经支护后工作面巷道围岩得到有效控制[5]。

此外，经数值模拟分析可得：在对107工作面巷道采用锚杆锚索联合支护后，对左断面进行开采时，锚索所承受的最大拉力为222 kN，锚杆所承受的最大拉力为99 kN；在对右断面开采时，锚索所承受的最大拉力为296 kN，锚杆所承受的最大拉力为125 kN，均小于对应锚索额定破断力500 kN，对应锚杆额定破断力140 kN。即验证了所设计锚杆锚索联合支护的可靠性，在实际生产中不会被拉断。