巷道锚杆支护参数优化数值模拟研究

姚京京

（山西西山煤电集团西曲矿， 山西 太原 030000）

0 引言

在煤炭开采过程中，由于巷道围岩变形过大，造成巷道失稳，危害矿井工作人员的安全，在进行支护过程中，支护方案的合理性对于矿井经济效益十分重要[1-2]，一旦支护不当或者支护过当都会造成后续较大的经济浪费，所以合理的支护参数十分重要，此前较多学者基于原有支护方案进行过优化研究，但由于矿井地质条件的不同，使得支护方案无法直接生搬硬套，所以只能作为参考[3-4]。

以某矿为研究背景，利用数值模拟软件，对不同支护参数下巷道的围岩状况进行模拟研究，旨在选定合理的支护参数，为矿井安全及高效生产提供一定的保障。

1 模型建立

根据实际的地质情况，建立数值模拟模型，选用FLAC3D 进行模拟，FLAC3D 数值模拟软件是二维的有限差分程序FLAC2D 的拓展，其能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟及塑性流动分析。设计模型的尺寸为285 m（长）×300 m（宽）×200 m（高），对模型进行网格划分，在进行网格划分时，在巷道断面附近进行略微的细化分，而对距离巷道断面较远位置进行粗划分，网格划分完成后共计有单元网格1 501 260，共计拥有节点1 578 375 个。对模型进行物理参数设定，物理参数设定根据矿井岩层实际测得的力学参数，对模型进行边界条件设定，对模型的下部施加固定约束，避免模型向下移动，在模型的左右面施加左右的固定约束，对模型的前后面施加前后的固定荷载，避免模型的水平横动，在模型的上端面施加均布荷载，荷载大小为11.45 MPa，完成模型的建立。

2 模拟分析

2.1 锚杆长度

锚杆长度锚杆的关键参数之一，锚杆长度影响锚固区范围，锚杆过长过短均有一定的弊端。所以锚杆长度合理值十分重要。对锚杆长度为1 900 mm、2 200 mm、2 500 mm、2 800 mm 四种情况下巷道围岩塑性区分布情况进行模拟，模拟云图如图1 所示。

图1 不同锚杆长度下巷道塑性分布云图

从图1 可以看出，当锚杆长度为1 900 mm 时，此时的巷道顶帮锚杆均处于塑性区内，锚杆的锚固段大部分处于塑性区范围内，此时的锚杆难以发挥支护能力；而当锚杆长度增大为2 200 mm 时，此时巷道的帮锚杆部分锚固段进入稳定岩层，能够发挥部分支护效果，巷道的顶锚杆的锚固段全部处于塑性区；当锚杆长度增大为2 500 mm 时，此时的帮锚杆锚固段达到稳定岩层部分有了一定的增大，顶锚杆处于塑性范围，而锚固段未进入稳定岩层；继续增大锚杆长度至2 800 mm 时，此时的帮锚杆进入稳定区域的锚固段长度继续增大，巷道的顶锚杆几乎全部处于塑性区内。根据以上分析可以看出，当锚杆的长度大于2 200 mm 时，此时的巷道顶帮锚杆均能发挥一定的支护作用，支护效果能够满足要求，所以设计锚杆长度时应当大于2 200 mm。

2.2 锚杆间距

对锚杆的间距进行设计，锚杆的间距越大，支护越稀，反之支护间距越小，此时的支护越密，根据实际情况选定间距分别为750 mm、800 mm、850 mm、900 mm、1 000 mm 五种情况进行研究，五种支护间距下的巷道围岩变形曲线如图2 所示。

图2 不同支护间距下的巷道围岩变形曲线

从图2 可以看出，随着锚杆间距的增大，此时巷道两帮及顶板的变形量均呈现逐步增大的趋势，而底板的变形量呈现与之相反的趋势，同时观察可以看出，巷道的变形量变化趋势均呈现出缓慢到快速的过程，临界点为间距900mm，所以当锚杆间距小于900mm时，即使进一步缩小间距，对于巷道变形量控制作用减弱；而当锚杆的间距大于900 mm 时，此时的巷道变形量会出现骤增，支护效果较差。综合考虑可以得出，当锚杆间距为900 mm 时，此时的巷道控制效果与经济效益综合分析最佳。

2.3 锚杆排距

锚杆排距同样是锚杆支护的重要参数之一，合理的排距直接影响支护效果与成本。锚杆排距过大对于锚固区形成具有一定的影响，造成巷道围岩变形过大，所以根据现有支护方案，设计模拟排距分别为700 mm、800 mm、900 mm、1 000 mm 四种情况，模拟结果如图3 所示。

图3 不同支护排距下的巷道围岩变形曲线

从图3 可以看出，随着锚杆排距的增大，巷道两帮及顶板的变形量均逐步增大，底板的变形量呈现与之相反的趋势，同时巷道的变形量随着排距的增加呈现出缓慢到快速的过程，临界点的排距为900 mm，当锚杆的排距小于900 mm 时，此时就进一步缩小间距，虽然能够减缓巷道围岩的变形，但减小幅度较排距900 mm之前有所减弱，而当锚杆的排距大于900 mm时，此时巷道的变形量较排距小于900 mm 会有较大幅度的增加，此时的支护效果较差，巷道的稳定性无法得到保证。综合考虑可以得出，当锚杆排距为900 mm 时，此时的巷道控制效果与经济效益综合分析最佳。

4 结论

1）利用数值模拟软件对不同锚杆长度下巷道围岩塑性区分布情况进行模拟研究，发现当锚杆的长度大于2 200 mm 时，此时的巷道顶帮锚杆均能发挥一定的支护作用，支护效果能够满足要求，所以设计锚杆长度时应当大于2 200 mm。

2）对不同锚杆间距下巷道围岩变形进行分析，确定当锚杆间距为900 mm 时，此时的巷道控制效果与经济效益综合分析最佳。

3）对不同排距下巷道围岩变形进行分析，发现当锚杆排距为900 mm 时，此时的巷道控制效果与经济效益综合分析最佳，所以最佳间排距为900 mm、900 mm。