劉甲

（同煤集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西大同037042）

引言

在煤礦開采過程中，隨著巷道的不斷掘進(jìn)，巷道所受的礦壓越來越大。為了保證煤礦安全生產(chǎn)進(jìn)行，如何改進(jìn)煤礦巷道的支護(hù)方式，以較低的成本達(dá)到理想的支護(hù)效果，成為煤礦開采過程一個(gè)亟待解決的問題。傳統(tǒng)的煤礦巷道支護(hù)方式有木支護(hù)、砌暄支護(hù)和型鋼支護(hù)等。但是上述支護(hù)方式存在基本不具有初阻力的缺點(diǎn)，只有當(dāng)圍巖發(fā)生變形時(shí)，支架的支護(hù)阻力才能增加。錨桿支護(hù)作為一種新的支護(hù)方式，其具有主動支護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。本文主要利用FLAC3D三維有限差分計(jì)算軟件對煤礦巷道的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行有限元分析，最終確定錨桿支護(hù)合理的支護(hù)方案[1-2]。

1 巷道錨桿支護(hù)有限元分析

煤礦巷道的支護(hù)穩(wěn)定性主要由巷道的圍巖應(yīng)力分布、巷道的圍巖強(qiáng)度大小、錨桿的支護(hù)阻力大小和巷道的斷面結(jié)構(gòu)決定，因此決定利用三維有限差分計(jì)算軟件FLAC3D進(jìn)行模擬分析。該軟件主要適用對材料產(chǎn)生塑性流動后的力學(xué)性能分析[3]。

1.1 有限元模型建立

根據(jù)模擬軟件特性及計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，本次模型大小設(shè)定長、寬、高分別為38 m、5 m、23 m。該模型有7個(gè)不同性質(zhì)的巖層組成，各個(gè)巖層和煤層的力學(xué)參數(shù)見表1[4]。

1.2 巷道斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于原煤礦巷道的支護(hù)方式為U型鋼架棚支護(hù)方式，當(dāng)進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，需根據(jù)煤礦的實(shí)際條件選擇合理的巷道斷面支護(hù)方式，現(xiàn)分別對半圓拱形和梯形巷道斷面進(jìn)行模擬，模型參數(shù)為半圓拱形斷面高度3.4 m，寬度3 m，斷面面積為9.2 m2，梯形斷面寬度3 m，高幫3.7 m，低幫2.45 m，斷面面積為9.2 m2。

利用三維有限差分計(jì)算軟件FLAC3D分別對兩種截面進(jìn)行分析，并分別得出各個(gè)斷面的最大和最小主應(yīng)力分布，如圖1所示。

表1 采煤巷道各煤層和巖層的力學(xué)參數(shù)

圖1 半圓拱形斷面和梯形斷面應(yīng)力分布圖

從圖1可以看出，整體上梯形斷面巷道的應(yīng)力場和半圓拱形斷面巷道的應(yīng)力場有明顯區(qū)別。梯形斷面巷道的最大主應(yīng)力線密度明顯比半圓形巷道最大主應(yīng)力線密度要疏松。這表明梯形巷道圍巖不具有半圓拱形巷道圍巖的自穩(wěn)特性，這會導(dǎo)致梯形巷道淺部圍巖得到卸壓，同時(shí)圍巖的承載結(jié)構(gòu)將向巷道深部轉(zhuǎn)移。

從圖中還可以看出梯形巷道的兩幫和底板的應(yīng)力場變化不大，頂板和上幫上部的應(yīng)力差較大，另外在圍巖的肩角部位形成應(yīng)力集中。

由于梯形斷面巷道和半圓拱形巷道的塑性區(qū)差別不大，主要是由于煤礦工作面運(yùn)輸巷道深度約為200 m左右，其地應(yīng)力不大。另外，頂?shù)装宓挠捕却笠彩瓜锏绹鷰r擁有較大的抗破壞能力。本文不再列出有限元分析圖形。

2 錨桿支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元分析結(jié)果和實(shí)際的施工特點(diǎn)，雖然半圓拱形巷道的圍巖應(yīng)力條件相對好于梯形巷道，但是二者的圍巖塑性相差不大。因此本文選擇梯形斷面巷道為試驗(yàn)巷道。

2.1 巷道頂板錨桿支護(hù)參數(shù)分析

在錨桿支護(hù)過程中，需要對錨桿施加預(yù)應(yīng)力來保證巷道的支護(hù)效果。在早期的錨桿支護(hù)過程中，由于施工機(jī)具的限制，不能提供足夠的預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力相對較低，此時(shí)預(yù)應(yīng)力僅能達(dá)到100～150 N，而實(shí)際要求預(yù)應(yīng)力應(yīng)保持在15～20 kN之間。因此對于傳統(tǒng)錨桿支護(hù)而言，其還不能達(dá)到主動支護(hù)的要求，仍然屬于被動支護(hù)[5-6]。

在進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對錨桿施加足夠的預(yù)應(yīng)力，根據(jù)巷道的埋深，巷道圍巖的應(yīng)力大小和錨桿支護(hù)準(zhǔn)則來確定錨桿支護(hù)時(shí)的預(yù)應(yīng)力應(yīng)為其桿體屈服載荷的30%～50%。

根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r層的厚度和實(shí)際施工條件，本文采用懸吊理論分析設(shè)計(jì)方法來計(jì)算工作面巷道的錨桿長度和直徑，從而確定錨桿的規(guī)格。根據(jù)錨桿支護(hù)理論和現(xiàn)場應(yīng)用，設(shè)定錨桿的初始排距為800 mm，錨桿的預(yù)緊力為50 kN。

2.2 錨桿支護(hù)方案

根據(jù)上文對巷道斷面的有限元分析，選擇梯形斷面巷道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。這里提出兩種錨桿支護(hù)方案，利用FLAC3D軟件對不同種支護(hù)方案的應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析，最終選定最為合理的支護(hù)方案。支護(hù)方案如表2所示。

表2 不同錨桿支護(hù)方案參數(shù)mm

其中方案1的錨桿分布方式為，低幫側(cè)3根，高幫側(cè)1根。分別與頂板垂直放置和以15°安裝。

方案2的分布方式與方案1保持一致。對以上兩種錨桿支護(hù)方案分別進(jìn)行有限元計(jì)算分析，如圖2所示。

圖2 不同錨桿支護(hù)方案的圍巖應(yīng)力場分布

錨桿的預(yù)應(yīng)力對圍巖的作用具有群錨效應(yīng)，適中的錨桿密度可以使錨桿預(yù)應(yīng)力的圍巖壓應(yīng)力場產(chǎn)生疊加從而達(dá)到事半功倍的作用。

從圖2中不同方案的最大主應(yīng)力場分布圖可以看出，不同的支護(hù)方案產(chǎn)生的圍巖壓應(yīng)力整體差異較大。方案1的應(yīng)力場相對方案2的應(yīng)力場疊加深度深且應(yīng)力場范圍小。方案1中0.02 MPa壓應(yīng)力范圍明顯比方案2小。采用錨桿支護(hù)時(shí)，巷道肩角位置最容易形成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致支護(hù)方案失效。因此肩角位置的壓應(yīng)力分布直接影響支護(hù)方案的成功與否。從圖2可以看出方案2的巷道肩角壓應(yīng)力分布范圍相對較大。

錨桿的間距大小和錨桿固定端產(chǎn)生的拉應(yīng)力場疊加程度深淺成反比例關(guān)系。間距越小，拉應(yīng)力場疊加深度越深，范圍也越大。從圖2中不同方案的最小主應(yīng)力場分布圖可以看出，方案1的錨固端產(chǎn)生的拉應(yīng)力場的數(shù)值和范圍相對方案2明顯較大。

選擇合適的錨桿支護(hù)距離，使巷道圍巖壓應(yīng)力的大小和范圍得到保證。同時(shí)，最大限度地降低錨桿錨固端圍巖拉應(yīng)力的大小和范圍。因此，經(jīng)過綜合分析，選用方案2為煤礦巷道的最優(yōu)支護(hù)方式。

3 結(jié)論

1）梯形斷面巷道和半圓拱形斷面巷道的圍巖塑性區(qū)相差不大。但是二者的應(yīng)力分布卻截然不同。前者的圍巖最大應(yīng)力線密度明顯比后者的圍巖最大主應(yīng)力線密度要疏松。同時(shí)前者的巷道肩角位置的應(yīng)力分布也較集中。

2）半圓拱形巷道的圍巖應(yīng)力分布比梯形巷道應(yīng)力分布好，但二者的圍巖塑性區(qū)幾乎一致。根據(jù)本煤礦巷道斷面和實(shí)際施工條件，決定選用半圓拱形斷面為本煤礦錨桿支護(hù)巷道的斷面形狀。

3）對兩種頂錨桿支護(hù)方案進(jìn)行有限元分析，確定本煤礦巷道頂錨桿支護(hù)的最優(yōu)方案為：錨桿規(guī)格Φ20 mm×2 000 mm的左旋無縱筋普通鋼螺紋錨桿，間距850 mm，排距800 mm，距低幫360 mm，距高幫320 mm。錨桿的安裝方式為，低幫側(cè)三根錨桿與頂板保持垂直，高幫側(cè)1根錨桿以15°安裝。

[1]何滿朝，袁和生.中國煤礦錨桿支護(hù)理論與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[2]王金華，康紅普，高富強(qiáng).錨索支護(hù)傳力機(jī)制與應(yīng)力分布的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（1）：1-6．

[3]康紅普.回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18（5）：534-537.

[4]阮王明雄.越南楊輝煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2016．

[5]張國華.確定巷幫錨桿間距的理論計(jì)算[J].煤炭學(xué)報(bào)，2006，31（4）：433-436.

[6]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護(hù)理論與成套技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.