锚固串铰链结构在煤巷顶板支护中的应用

李 元

（同煤浙能麻家梁煤业，山西 朔州，036000）

0 引 言

煤矿开采要保证生产安全，需要有巷道顶板支护，由于开采过程的影响，巷道支撑顶板对于煤矿安全十分必要[1]。在煤矿中，由于煤矿资源的开采，巷道周围会存有很多岩层破碎，这些破碎的地方是最需要支撑和保护的以防止巷道坍塌，出现安全事故，这也是煤矿安全生产的关键。针对煤矿安全生产中巷道顶板支撑设计不合理、顶板变形量大的问题，提出一种基于锚固串的群体结构设计，对锚固串群体结构进行应力分析计算，建立锚固串群体力学模型，计算相邻锚固串锚固厚度，设计并对比不同支护方案，通过数值仿真分析，找出位移形变量最小的结构，确定最佳支护方案。

1 锚固串群体结构分析

在煤矿井下，煤矿的开采会导致顶部岩层破裂，需要采用顶板对其进行支撑，以保证煤矿的安全开采和生产安全。顶板压力会产生挤压和横向扩张，对该过程进行模拟，如图1 所示。

图1 间距不同锚杆压应力数值模拟结果

由图1 的压应力数值模拟图可知，单根锚杆时，顶板形成一个椭圆的锚固结构体，当锚杆间距过大时，压应力大，各锚固体处于分离状态，无法形成一个整体。当不同的锚杆设计布局合理，能够提供较大的支持力，形成一个整体，当锚杆不能形成牢固的整体，就会导致顶板垮落，给矿井开采造成安全隐患。当不同的锚杆形成整体的固定体，向周围产生抗挤压力，受力模型如图2 所示。

对锚固结构在纵向和横向上连结，将破碎岩石串连，形成一种有力的支护，这种结构即是锚固串结构。当支护结构不是单一的结构，而是多个锚固串形成一个群体共同支撑岩层顶板，又被称为锚固串群体结构，锚固串群体结构是矿井安全生产中用于顶板支撑的常见结构。

图2 锚固串群体受力模型

进行力学分析前，首先提出假设，假设如下；岩体性质为均一、稳定的弹性体，各个方向是同性的，以锚杆尾部为坐标原点，建立力学平衡图，进行力学分析，如图3 所示。

图3 锚固串群体结构力学平面模型

由图3 可知，两个锚杆相邻，对其受力分析，两个锚杆之间的距离为d，锚杆的半径为ρ，锚杆固定部分的长度为l，相邻部分的厚度为T。根据受力分析图，确定平面边界方程为：

两个锚杆间距离为d，则锚杆一侧的平衡边界方程为：

对（1）和（2）进行整理，得到两个相邻锚杆厚度T 为

煤矿井下巷道设计需要参照煤矿地质特征和现场生产条件，进行合理的布局和设计，以达到稳定顶板支撑的目的。

2 14210 巷道支护方案设计

针对煤矿井下需要设计锚固群体结构满足支护条件，设计2 种不断的锚固串群体结构，以适应顶板支护的需要。两种不同结构方式分别为，（a）两个锚固串具有一定的距离，不相交；（b）两个锚固串相切。设计顶板支护时，强度最弱的部分作为支护部分，保证岩板稳定，当强度弱的部分能够满足支护要求时，则认为其他部分也能达到稳定的状态。

本研究以麻家梁矿矩形巷道为例，设置锚杆不同的间距进行对比分析，选择巷道告280mm，宽3400mm 的巷道，不同巷道的截面积相等，均为9.52m2。锚杆直径20mm，材料为树脂材料。1 情况下，锚杆锚固段长度1.8m，锚杆锚固段中点半径ρ 为500mm，锚杆预应力为20kN。设计方案如图4 所示。（a）中相邻锚杆间距为1200mm，计算可得锚固厚度T=0，（b）中锚杆相邻间距为1000mm，计算可得锚固厚度T=0，以此为依据进行下一步分析。

图4 不同锚杆支护方案设计对比

3 结合井下巷道结构的应用分析

3.1 实际模型建立

为了对两种不同的锚杆支护方案进行分析对比，开展数值模拟。数值模拟软件采用应力分析常用软件FLAC3D软件，设矿井巷道深H=500 m，岩体均匀一致的弹性体，岩体应力σ 为125 MPa，设定边界问题，采用固定位移，数学模型为30 m×10 m×30 m，应力能够均匀分布到模型上，数值仿真模型如图5 所示。

图5 实际的14210 巷道分布图

3.2 将14210 巷道结合模型进行分析

建立数学模型后，将不同的参数导入计算机并引入边界函数，开始进行矩形巷道支护板位移变形模拟，并分析模拟结果。岩层顶板和地板受到应力作用产生的位移云图如图6 所示。

图6 顶底板位移云图

由图6 可知，在均匀受力时，锚杆支撑部位产生的位移大，对于（a）和（b）两种间距不同的锚杆，应力产生的位移不等。根据数值模拟分析的数据，求得位移曲线图，如图7 所示。

由图7 可知，锚杆间距1200 mm 的巷道顶底板产生的位移最大，而锚杆间距1000 mm 的位移最小，最大位移量为1049.2 mm，最小位移量为683.85 mm，通过对比可知，间距1200 mm 产生的位移变量过大，无法满足煤矿岩层顶板支护的需要。两种不同的方案中，第二种方案，即锚杆间距为1000 mm 的位移变形量小，可以满足顶板支护的需要。

通过受力分析和仿真对比分析，知道两种不同设计方案中，（b）方案对于岩层顶板支撑和稳定的方案最优，设计间距为1000 mm 的锚杆距离能够满足矿井安全生产和顶板支护，是最优的锚固串群体结构。

4 结 论

针对煤矿开采过程中，巷道支护顶板存在支护破碎顶板易变形、稳定性差的问题，对锚固串群体结构进行力学分析，通过建立锚固串群体力学模型，计算相邻锚固串锚固厚度，确定最佳锚杆结构支护方案。以矩形巷道为例，设计2 种锚固串群体结构，建立模型并进行对比分析，选择不同的支护方案对比，相邻锚杆间距分别为1200mm，1000mm，进行数值模拟和分析。结果证明最优支护间距1000 mm，找出了最优锚固串群体结构，根据巷道特征，确定锚固群体结构参数，为煤矿安全生产提供了保障。