矿井巷道锚杆支护的应力分布

于海威

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司 店坪煤矿，山西 吕梁 033102）

小庄煤矿4302 回风顺槽总设计长度1348 m，该巷从四采区皮带巷（西翼） 900 m 处开口，以270°29′19″方位角向前掘进，先沿5°下山掘进，逐渐破顶，掘进到四采区回风巷上方时保证与四采区回风巷之间留有最少500 mm 厚的煤层；掘进至46 m 后与4302 回风顺槽回风道贯通，以6°37′坡度下山掘进，掘进到四采区胶轮车巷上方时，保证与四采区胶轮车之间留有最少500 mm 厚的煤；掘进至99 m 与4302 回风顺槽联络巷贯通后，以5°～7°下山找见煤层底板，最后沿3 号煤层底板使用采综掘方式掘进到指定位置。

1 概况

1.1 煤层的特征参数

小庄煤矿4302 回风顺槽3 号煤层巷道断面尺寸长×宽=5.2 m×3.5 m，断面面积18.2 m2。在煤层垂直方向上自上往下依次为老顶、直接顶、伪顶、直接底、老底，各煤层岩性情况见表1。

表1 煤层特征情况Table 1 Coal seam characteristics

1.2 水文地质情况

依据钻孔勘探资料显示，工作面的水文地质类型为中等[1]，影响4302 工作面掘进的水文因素主要有地表水、第四系含水层水、顶板水、底板水、钻孔水、断层水、老空水、陷落柱水等。

从四采区胶轮车巷（西翼） 及周围已开采煤层状况分析，受层间滑动构造的影响，夹矸局部变厚，导致顶、帮破碎，该区域煤质酥软，顶板破碎，巷帮局部节理发育，容易造成局部片帮，根据三维地震勘探结果预测该掘进区域煤层倾角1°～7°。

1.3 含水层突水系数

依据钻水孔的勘测资料，4302 工作面奥灰水位标高为+636—+638 m，该工作面巷道底板标高为+500—+563 m，因此本工作面属于带压采掘型的工作面。

查阅《煤矿防治水细则》及相关文献[2-4]，通过相关公式推导得到突水系数T：

式中：H 为奥灰岩溶水压标高，m；h 为奥灰顶面标高，m；ρ 为水的密度，kg/m3；g 为重力加速度，取9.8 m/s2；H煤为煤层底板标高，m。

由4302 工作面钻孔柱状图可知，隔水层的总厚度为127.77 m，将以上各参数代入公式，计算结果见表2。

表2 煤层奥灰突水系数计算结果Table 2 Calculation results of ordovician limestone water coefficient in coal seam

2 巷道支护的布置

2.1 顶板离层动态监测

在开采的过程中，为了连续动态监测顶板不同层面的下沉量，需要在顶板上安装顶板离层指示仪，主要优点如下。

（1） 连续性可视化地观察顶板下沉情况，监测顶板失稳现象，避免冒顶矿难的发生。

（2） 记录监测数据，分析总结数据，作为优化锚杆支护强度设计的参考依据。4302 工作面使用机械式顶板离层指示仪，每间隔50 m 安装1 组顶板离层仪，分别在顶板上7.8 m 和2.3 m 两个基点位置钻打φ29 mm 的安装孔，如图1 所示。

图1 离层仪安装示意Fig.1 Installation instructions of separator

2.2 巷道支护原则

针对现场实际情况，为保证巷道安全，利用锚杆的支护作用，提出以下支护设计原则。

（1） 一次性支护原则，为有效控制地应力下围岩的相对变形量，在节约成本和材料的前提下，锚杆的支护尽量一次满足使用要求。

（2） 高预应力原则，锚杆支护的关键参数是预应力，若锚杆预应力太低，则锚杆支护为被动支护。应提高锚杆的预应力，使其变为主动支护。

（3） 三高一低原则，即锚杆高强度、高刚度、高可靠性及低支护密度。为保护巷道的安全支护，提高开采效率，可提高锚杆强度和刚度，尽量减少锚杆的数量，做到经济实用，降低支护成本。

2.3 锚杆支护的设计

2.3.1 锚杆的预应力

锚杆预应力是巷道支护的关键影响因素，若预应力选择较低，则锚杆上的附加应力较低，不能形成连续的有效压应力区，使支护强度不够，发生冒顶事故[5]；在尽量节约支护材料的前提下，若预应力合适或稍高，则锚杆上的附加应力较大，形成的压应力区连续覆盖了整个顶板，锚杆支护安全系数就高，如图2 所示。故预应力选择原则是：保证顶板不产生明显离层和拉应力现象，预应力取值为锚杆屈服强度的40%～50%。

图2 锚杆应力云图Fig.2 Bolt stress nephogram

2.3.2 锚杆长度

锚杆长度越长，虽然形成的有效压应力区域和厚度增加，支护范围变大，但锚杆中上部的压应力和锚杆间围岩的压应力均减小。若预应力不变，当锚杆长度越长，预应力的作用则越弱，致使巷道的支护性越差，因此为提高巷道支护预应力，可适当减小锚杆长度[6]。锚杆长度分别取1.6 ～2.6 m，应力分布如图3 所示。

图3 锚杆长度变化的应力云图Fig.3 Stress nephogram of bolt length variation

2.3.3 锚杆密度

在一定预应力情况下，在锚杆周围区域分布类似锥形的压应力区，且压应力在锚杆尾部最大，锚杆固定端的起始端次之，锚杆自由端中间部分较小，锚杆端部应力基本为零和较小的拉应力状态[7]。若锚杆间距过大，则锚杆不能形成连续的锥形压应力区域，支护强度和安全性较差；若逐渐减小锚杆间距，则锚杆形成的锥形压应力区域逐渐靠拢、相互叠加，最终连成一体，支护强度和安全性较高；但当锚杆密度增加到一定程度后，若再增加锚杆数量，则对形成连续有效的压应力区域影响较小，属于巷道过应力保护，浪费了支护材料，应力云图如图4 所示。

图4 不同锚杆数量的应力云图Fig.4 Stress nephogram of different bolt number

3 巷道支护的FLAC3D 模拟分析

为分析巷道端面应力分布情况，根据4302 工作面的钻水孔勘测结果，结合地质力学参数，建立FLAC3D 模型[8]，使用差分法计算巷道应力分布，当顶板锚杆间距为950 mm，帮部锚杆间距1050 mm，分别取锚杆排距850、900、950 和1000 mm，巷道的应力云图如图5、图6 所示。

图5 排距850 mm 时的巷道应力云图Fig.5 The stress nephogram of roadway with 850 mm row spacing

图6 排距1000 mm 时的巷道的应力云图Fig.6 Stress nephogram of roadway with row spacing of 1000 mm

当锚杆排距从850 mm 增大到1000 mm 时，在顶板区域内形成了压应力区，初始压应力值为0.04 MPa，且随着锚杆排距的减小，预应力区域逐渐增大至0.06 MPa，但压应力区呈逐渐分离的趋势。当锚杆排距增大到1000 mm 时，压应力区仅在锚杆尾部有少部分相连，其余部分已完成分离。随着锚杆排距的增大，两帮也形成一定的压应力区，初始压应力为0.02 MPa，且覆盖整个支护区域，随着锚杆排距的增加，压应力覆盖的支护区域逐渐减小，当锚杆排距为1000 mm 时，压应力值为0.01 MPa，且压应力区域已相互分离。综上所述，巷道顶部和帮部的锚杆排距应取1000 mm。

4 结语

以小庄煤矿4302 工作面为研究对象，分析了巷道锚杆支护稳定性的影响因素，通过FLAC3D 软件模拟分析，在保证巷道支护安全性的前提下，优化了锚杆的布置方式，尽量地减小了锚杆的数量，降低了巷道支护的成本，增加了煤矿效益，具有推广意义。