特厚煤层煤巷锚索支护机制及参数优化研究

2021-08-02江心中

煤 2021年8期

江心中

(内蒙古同煤鄂尔多斯矿业投资有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000)

在巷道锚杆索支护理论中，目前受到大部分煤矿企业所认可的有悬吊理论[1-2]、组合梁理论、组合拱理论[3-4]、围岩强度强化理论[5]等。但由于煤矿地质条件的差异性较大，每种支护理论都存在一定的局限性，每种不同的地质情况往往不能用同一种理论来进行解释。

随着煤矿产量的提升，采掘接替问题显得更加突出[6]。在这种前提下，盲目增加支护强度和支护密度不仅会带来成本增加的问题，同时也会减缓掘进速度，更加恶化煤矿的采掘接替问题[7]。所以，选择合理的锚杆索支护理论和支护参数可以在确保巷道安全的前提下减少支护成本、加快掘进速度，为煤矿的高产、高效生产提供有力保障[8]。

目前很多井下巷道是沿煤层掘进的，锚杆索也有很大一部分其实是在煤体中进行锚固的。以下主要通过数值模拟的方式，针对特厚煤层煤巷锚杆索支护的支护理论、锚杆索间排距及预紧力之间的关系进行研究，以得出合理的煤巷锚杆索支护形式。

1 锚索长度加固效果对比分析

本次研究主要针对特厚煤层，因此巷道均为全煤巷道，巷道尺寸为5 m×4 m。通过FLAC3D模拟软件，建立如图1所示的模型。为确保模拟的真实性，选择摩尔库伦本构模型进行模拟。模型共划分22 500个单元，模型尺寸为30 m×30 m，在模型底部固定竖向位移，两边固定横向位移。

控制锚杆预应力为100 kN不变，通过改变锚杆的间排距来进行对比分析。选取间距为900 mm、1 000 mm、1 100 mm和1 200 mm进行模拟(顶帮间距一致)，计算至模型平衡后，通过对比其预应力场的影响范围、锚杆之间所形成加固拱的连续性以及加固拱中心应力大小来综合分析锚杆间排距的合理性。

在保持锚杆排距不变、锚杆锚固长度不变以及预紧力不变的情况下，调整锚索长度分别为6.3 m、7.3 m和8.3 m进行对比分析，再针对每排单根以及每排两根锚索进行对比分析，来研究锚索对深浅部煤体协同的最佳支护方式。

通过计算，在单根锚索的情况下，6.3 m锚索、7.3 m锚索以及8.3 m锚索与锚杆的协同支护预应力场分布云图如图2所示。

从图2中可以看出，在预紧力不变的情况下，单根锚索的情况下锚索锚固端部与锚杆的加固拱之间的应力场随着锚索长度的增加反而有所减弱，也就是锚索与锚杆所产生的加固拱之间的协同作用有所减弱。但锚索均对锚杆所形成的加固拱有增强效果。同样通过监测加固拱中心加固荷载来对比其加固效果，得出的加固荷载变化曲线如图3所示。

从图3可以看出，随着锚索长度的增加，锚杆加固拱中心加固荷载变化不大。因此可以得出，单根锚索的长度对锚杆所形成加固拱的强度影响并不大。但如果锚索长度过长，深浅部的煤体反而不能有效形成牢固的整体。所以，当锚索锚固在煤层中时，不能盲目增加锚索长度，选择合适长度的锚索将有效增加深浅部煤体的结合程度，增强巷道支护效果。