余 銀，孫占成，孟國(guó)勝，侯振勝

（1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司挖金灣煤業(yè)公司，山西大同 037042；2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司馬脊梁煤礦，山西大同 037027）

近距離煤層巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬研究

余 銀1，孫占成1，孟國(guó)勝2，侯振勝1

（1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司挖金灣煤業(yè)公司，山西大同 037042；2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司馬脊梁煤礦，山西大同 037027）

基于甘莊煤礦近距離煤層巷道錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，從近距離煤層巷道圍巖實(shí)際及本礦巷道支護(hù)現(xiàn)狀出發(fā)，采用MIDAS/GTS數(shù)值模擬，分析了近距離煤層巷道圍巖位移、應(yīng)力分布及破壞范圍；研究了不同因素對(duì)巷道圍巖變形與破壞的影響，設(shè)計(jì)得出合理的支護(hù)參數(shù)，進(jìn)而提高錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性及實(shí)用可靠性，進(jìn)一步發(fā)揮錨桿支護(hù)技術(shù)的潛力，為近距離煤層巷道支護(hù)提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

近距離煤層；煤巷；錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)；支護(hù)參數(shù)；MIDAS/GTS數(shù)值模擬

近距離煤層條件下，下層開(kāi)采受上層煤層條件及開(kāi)采情況影響較大，下層巷道圍巖位移、應(yīng)力及破壞范圍分布、支護(hù)體受力狀況有其顯著特點(diǎn)［1］，需要采用先進(jìn)的方法設(shè)計(jì)近距離煤層巷道支護(hù)參數(shù)。數(shù)值模擬法可以模擬復(fù)雜的邊界條件和各種斷面形狀巷道的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)，以及進(jìn)行多方案對(duì)比，具有模擬結(jié)果直觀、形象，便于分析等優(yōu)點(diǎn)［2-3］。通過(guò)數(shù)值模擬法得出的支護(hù)參數(shù)更符合煤礦巷道復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，參數(shù)設(shè)計(jì)的可靠性、合理性和科學(xué)性得到顯著提高［4］。

甘莊煤礦8#煤層與7#煤層層間距小，為典型近距離煤層。8#煤層采用錨桿支護(hù)回采巷道，研究針對(duì)巷道支護(hù)存在的問(wèn)題，采用先進(jìn)的數(shù)值模手段確定出更加科學(xué)合理的支護(hù)參數(shù)，以保證安全生產(chǎn)。

1 工程概況

甘莊煤礦8#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層厚度1.34～2.51m，平均1.78m，有時(shí)含1層泥巖薄層夾矸，煤層直接頂為中細(xì)砂巖或粉砂巖，底板為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。8#煤層為井田內(nèi)穩(wěn)定的可采煤層。7#煤層與8#煤層層間距在5.50～6.50m之間，為近距離煤層。8#煤層綜合柱狀圖，見(jiàn)圖1。

工程施工地點(diǎn)為8#煤層303盤區(qū)5301回風(fēng)巷，該巷為全煤矩形巷道，見(jiàn)頂起底掘進(jìn)。采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)。根據(jù)鉆孔窺視分析［5］，該巷整體在未受到上層開(kāi)采造成的固定支承壓力影響區(qū)域，頂板5.50m以下完整、致密，沒(méi)有明顯的離層；在受到7#煤層開(kāi)采造成的固定支承壓力影響區(qū)域，頂板下沉達(dá)0.5m左右，直接頂破碎冒落，離層嚴(yán)重。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的情況看，8#煤層巷道支護(hù)效果不理想，壓力集中地段巷道頂板下沉破碎嚴(yán)重，錨桿失效，錨索拉斷，巷道頂板下沉較大，存在很大的安全隱患。需要對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行深層次分析。

圖1 煤層綜合柱狀圖

圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分圖

2 支護(hù)參數(shù)MIDAS/GTS數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

MIDAS/GTS（Geotechnical and Tunnel analysis System）軟件是用于分析巖土與隧道結(jié)構(gòu)常用的有限元軟件，可以建立三維空間模型，能夠很好地考慮結(jié)構(gòu)和巖土的相互作用。數(shù)值模型采用各向同性三維非線性有限元地層-結(jié)構(gòu)模型［6］。

根據(jù)8#煤層條件、實(shí)驗(yàn)測(cè)定得到的巖石力學(xué)參數(shù)［5］（見(jiàn)表1）及數(shù)值模擬建模原則建立8#煤層5301回風(fēng)巷支護(hù)計(jì)算模型，見(jiàn)圖2。三維數(shù)值計(jì)算模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=32.2m×20m×50m，5301回風(fēng)巷巷道為寬×高=4.20m×2.40m，共劃分24 420個(gè)6面體單元。

表1 模型力學(xué)參數(shù)表

2.2 模擬方案

針對(duì)8#煤層5301巷實(shí)際情況，主要模擬內(nèi)容有：錨桿直徑分別為16mm，18mm，20mm）；錨桿長(zhǎng)度分別為1.6m，1.8m，2.0m；錨桿密度分別為800mm×800mm，900mm×900mm，1 000mm×1 000mm；錨固長(zhǎng)度分別為端部錨固（錨固長(zhǎng)度不大于500mm或不大于孔長(zhǎng)的1/3）、全長(zhǎng)錨固（不小于孔長(zhǎng)的90％）、加長(zhǎng)錨固（介于2者之間）；錨桿角度分別為0°，10°，15°；錨索根數(shù)（間距）：每排錨索數(shù)為1，2，3根；錨索排距的影響：2m，3m；錨桿、錨索預(yù)緊力。50kN，150kN。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果判定準(zhǔn)則

針對(duì)8#煤層的圍巖情況，按照模擬設(shè)計(jì)方案，組合了不同的錨桿支護(hù)形式。模擬過(guò)程中對(duì)支護(hù)效果的判斷主要依據(jù)頂板下沉量，關(guān)鍵確定頂板下沉離層界限。頂板離層界限一直很難量化，對(duì)于錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)的巷道，用錨索有效拉伸段的變形能力來(lái)衡量，作為頂板離層界限的參考數(shù)值。

錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)條件下頂板離層界限可按下式計(jì)算：

SC＝（l0-lc-lh）δsinα

式中：SC-頂板最大離層量，mm；

l0，lc-錨索索體、外露長(zhǎng)度，mm；

lh-錨索錨固段長(zhǎng)度，mm；

δ-錨索索體材料延伸率；

α-錨索安裝角度（與水平線夾角）。

本礦現(xiàn)用錨索為小孔徑樹(shù)脂錨固預(yù)應(yīng)力錨索，直徑15.24mm，延伸率為3.5％，按巷道安裝錨索長(zhǎng)度5 000mm考慮，外露長(zhǎng)度300mm，錨固長(zhǎng)度1200，則頂板離層界限為：

3.2 不同支護(hù)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響分析

（1）錨桿長(zhǎng)度

模擬計(jì)算中1.8m長(zhǎng)度錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布見(jiàn)圖3，可以看出，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，壓應(yīng)力區(qū)范圍與厚度逐漸增大，錨桿作用范圍也相應(yīng)擴(kuò)大。但錨桿長(zhǎng)度中上部分的壓應(yīng)力減小，兩錨桿之間中部圍巖的壓應(yīng)力減小。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)狀況錨桿長(zhǎng)度選擇1.8m，能滿足生產(chǎn)安全要求。

圖3 長(zhǎng)度1.8m錨桿預(yù)應(yīng)力分布圖

圖4 間距1.4m錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布圖

圖5 間距0.9m錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布圖

（2）錨桿密度

錨桿密度涉及排距與間距。圖4，圖5為不同錨桿間距錨桿預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布。比對(duì)兩圖可以發(fā)現(xiàn)，間距0.9m錨桿間形成的壓力帶彼此重合，構(gòu)成了有效的支撐結(jié)構(gòu)，因此，支護(hù)效果應(yīng)該相對(duì)好一些，錨桿支護(hù)密度選擇900mm×900mm。

（3）錨桿角度對(duì)支護(hù)效果的影響

錨桿不同支護(hù)角度預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖6，圖7所示。當(dāng)頂板角錨桿垂直布置時(shí)，角錨桿與中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)相互連接與疊加，在頂板中形成厚度較大、分布均勻的壓應(yīng)力區(qū)。此時(shí)，錨桿預(yù)緊力擴(kuò)散與疊加效果最好。隨著頂板角錨桿角度的增加，角錨桿中部錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)逐步分離，當(dāng)頂板角錨桿角度達(dá)30°，兩個(gè)壓應(yīng)力區(qū)明顯分離，錨桿成為彼此獨(dú)立的支護(hù)單元，整體作用受到嚴(yán)重影響。所以，頂板錨桿垂直布置最合理，如果需要施工一定角度，最好不超過(guò)10°。

圖6 錨桿垂直布置

圖7 錨桿傾斜30°布置

（4）錨索根數(shù)（間距）

(2)導(dǎo)致被拐賣、綁架的婦女、兒童被轉(zhuǎn)移、隱匿、轉(zhuǎn)賣，不能及時(shí)進(jìn)行解救的。這是指由于負(fù)有解救職責(zé)的國(guó)家機(jī)關(guān)工作人員未能及時(shí)采取解救行動(dòng)，而導(dǎo)致被拐賣、綁架的婦女、兒童被轉(zhuǎn)移到其他地方，或者被隱藏起來(lái)，或者又被賣到其他地方，使解救工作失去時(shí)機(jī)或者線索而無(wú)法及時(shí)進(jìn)行解救。對(duì)這一情形，在司法認(rèn)定上與前述情形基本相同，在此不再贅述。

圖8，圖9為錨索的預(yù)應(yīng)力為100kN以上條件下每排1～2根錨索形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布。比對(duì)兩圖可以得出如下結(jié)論：①單根錨索在其周圍形成類似“心”形的壓應(yīng)力場(chǎng)分布區(qū)域，壓應(yīng)力在錨索尾部附近最大，錨固起始處次之，錨索自由段中部較小；②隨著后排錨索根數(shù)增加，單根錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)逐漸靠近、相互疊加，錨索之間的有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大，并連接成一體，形成類似“鼓”形的整體支護(hù)結(jié)構(gòu)；③當(dāng)每排錨索數(shù)增加到一定程度，再增加密度，對(duì)有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大、錨索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散作用的影響不明顯。根據(jù)模擬效果分析和8#煤層巷道支護(hù)現(xiàn)狀調(diào)查，在正常支護(hù)段采用2根錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖8 一根錨索形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布

圖9 二根錨索形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布

（5）錨索排距對(duì)支護(hù)效果的影響

不同錨索排距形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布，見(jiàn)圖10，圖11。從圖中可知：①當(dāng)錨索排距較大時(shí)，單根錨索形成的預(yù)應(yīng)力區(qū)彼此孤立，錨索的主動(dòng)支護(hù)作用不明顯；②隨著錨索排距縮小，單根錨索形成的壓應(yīng)力區(qū)逐漸靠近、相互疊加，錨索之間的有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大；③當(dāng)錨索排距縮小到一定程度，再縮小排距，對(duì)有效壓應(yīng)力區(qū)擴(kuò)大、錨索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散作用的影響變化不明顯。結(jié)合8#煤層巷道支護(hù)實(shí)際情況，錨索排距采用2m。

圖10 排距1m形成的應(yīng)力場(chǎng)

圖11 排距2m形成的應(yīng)力場(chǎng)

（6）錨桿預(yù)緊力

預(yù)應(yīng)力50kN，垂直巷道軸線截面垂直應(yīng)力分布，見(jiàn)圖12。從圖中可知，在錨索尾部出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著深入頂板遠(yuǎn)離錨索尾部，壓應(yīng)力迅速減小。在錨索錨固起始端也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力集中程度與范圍均較小。同時(shí)，錨索錨固端出現(xiàn)了較大范圍但應(yīng)力值很小的拉應(yīng)力區(qū)。

圖12 預(yù)應(yīng)力50kN形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)

圖13 預(yù)應(yīng)力150kN形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)

預(yù)應(yīng)力150kN為垂直巷道軸線截面垂直應(yīng)力分布，見(jiàn)圖13。從圖中可知，在錨索尾部出現(xiàn)了很大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著深入頂板遠(yuǎn)離錨索尾部，壓應(yīng)力迅速減小。在錨索長(zhǎng)度一半左右的范圍內(nèi)形成了應(yīng)力值大于0.04MPa的壓應(yīng)力區(qū)，有效壓應(yīng)力區(qū)覆蓋了錨索自由段作用的整個(gè)范圍，近零應(yīng)力區(qū)大幅度縮小。

通過(guò)上述模擬結(jié)果比較可以發(fā)現(xiàn)，錨桿預(yù)緊力為50kN時(shí)，巷道的支護(hù)效果最佳。

（7）錨桿直徑及錨固方式

3.3 模擬結(jié)果綜合分析

根據(jù)對(duì)比分析5301回風(fēng)巷支護(hù)錨桿選取直徑為18mm，長(zhǎng)度為1 800mm，錨桿密度為900×900mm，靠近兩幫錨桿垂直于巷道上表面，預(yù)緊力為50kN時(shí)，巷道的支護(hù)效果最佳，沉降量最小且小于57mm。綜合模擬結(jié)果，見(jiàn)圖14，15，16。

圖14 巷道支護(hù)后總位移云圖

圖15 巷道豎向應(yīng)變?cè)茍D

從圖14中可以看出，8#煤層與7#煤層層間距小，5301巷道整體位移分布以巷道上表面中部為起點(diǎn)向上逐漸減小分布，直至7#煤層中。5301巷道斷面的位移變形區(qū)域主要集中在兩幫和上表面中部，該斷面兩幫變形是延著兩幫的中線對(duì)稱分布的，這是由于該巷道斷面上半部分位于巖石力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度較低的7#煤層中，會(huì)出現(xiàn)局部較大變形，最大變形量達(dá)到57mm，但是范圍很小，而該巷道上表面的位移在錨桿的控制下最大處也約為53mm，總體支護(hù)效果良好。

從圖15來(lái)看，5301巷道在開(kāi)挖后，經(jīng)過(guò)錨桿支護(hù)，在被破壞了原巖應(yīng)力的情況下，受自重和附加的錨桿的預(yù)應(yīng)力，總體應(yīng)力分布隨埋深逐漸增大，但在巷道斷面附近應(yīng)力分布和其它區(qū)域有明顯不同，在巷道上表面和兩幫相交的直角部分出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，極值為1 900KPa，同樣出現(xiàn)了邊界效應(yīng)。

圖15為5301巷豎向應(yīng)變?cè)茍D，從圖中可清楚的看到巷道開(kāi)挖斷面附近區(qū)域豎向應(yīng)變變化較大，且以斷面的中軸線成對(duì)稱分布，其中極值出現(xiàn)在巷道兩幫靠近底板的部分，而另一應(yīng)力相對(duì)比較大的區(qū)域出現(xiàn)在巷道上表面，由于與7#煤層距離近，有一個(gè)梯形分布的應(yīng)變區(qū)域。

綜上分析可得，8#煤層303盤區(qū)5301回風(fēng)巷錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖17。

圖17 8號(hào)煤層5301巷道支護(hù)參數(shù)

4 補(bǔ)充建議

為了保證錨索錨固位置在穩(wěn)定巖層，應(yīng)根據(jù)頂板變化情況適時(shí)調(diào)整錨索長(zhǎng)度。由于7#煤層與8#煤層間距較小，8#煤層巷道局部地段受到了7#煤層開(kāi)采形成的支承壓力的嚴(yán)重影響，需要對(duì)局部低端加強(qiáng)支護(hù)，可采取以下幾項(xiàng)加強(qiáng)措施：

⑴增加W型鋼帶。在8#煤層壓力影響帶建議使用BHW-220-2.50型鋼帶，以增強(qiáng)支護(hù)效果。

⑵增加錨索支護(hù)密度。在受對(duì)壓力影響地段，由于壓力大，頂板已經(jīng)全體的下沉、離層，錨桿錨索支護(hù)已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的懸吊作用，主要是組合梁作用。錨索長(zhǎng)度仍為5.0m，增加錨索密度為間距1.0m，排距2.0m（每排3根，排距2.0m），以維護(hù)巷道頂板的整體性和保證較高的支護(hù)強(qiáng)度。

⑶必要時(shí)增加金屬棚子加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)效果觀察監(jiān)測(cè)力度。

5 結(jié)論

1）采用MIDAS/GTS數(shù)值模擬對(duì)近距離煤層5301回風(fēng)巷支護(hù)情況進(jìn)行了綜合分析，得出了更加準(zhǔn)確實(shí)用、科學(xué)合理的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)，解決了甘莊煤礦當(dāng)前支護(hù)存在的問(wèn)題，為近距離煤層巷道支護(hù)提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

2）本次數(shù)值模擬涵蓋面廣，支護(hù)參數(shù)全面，對(duì)不同支護(hù)參數(shù)下的支護(hù)效果分析形象快速，提高了支護(hù)設(shè)計(jì)水平及質(zhì)量。

3）針對(duì)甘莊煤礦近距離煤層實(shí)際，提出了補(bǔ)充建議，完善了整體支護(hù)體系。值得大力推廣應(yīng)用。

［1］何滿朝，袁和生.中國(guó)煤礦錨桿支護(hù)基礎(chǔ)理論［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2004.

［2］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）：497-502.

［3］施建俊，孟海利，汪旭光，等.數(shù)值模擬在礦山的應(yīng)用［J］.中國(guó)礦業(yè)，2004，12（8）：78-82.

［4］張金山，孟國(guó)勝，王英旭，等.綜采工作面回采巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)［J］.山西焦煤科技，2011（12）：4-8.

［5］山西大同大學(xué)采礦工程研究所.山西中新甘莊煤業(yè)有限責(zé)任公司煤巷錨桿錨索支護(hù)參數(shù)研究報(bào)告［R］.甘莊煤礦，2012（2）：26-28.

［6］彭文斌.MIDAS/GTS實(shí)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

Study of Numerical Simulation about Supporting Parameter of Bolt aud Cable Suppot in the Distance Coal Seam

YU-Yin1，SUN Zhan-cheng1，MENG Guo-sheng2，HOU Zhen-sheng1
（1.Wajinwan Colliery Company，Datong Coal Mine Group Corporation Ltd，Datong Shanxi，037042；2.Majiliang Coal Mine，Datong Coal Mine Group Corporation Ltd，Datong Shanxi，037027）

Based on bolt and cable support parameters design about close coal seam in the Ganzhuang coalmine，starting from the actual distance seam roadway for themine roadway support the status quo，by MIDAS/GTS numerical simulation，analysis distance seam roadway fordisplacement，stress and the extent of damage distribution，supporting the body force status；different factors impact on the surrounding rock deformation and failure of different support parameters supporting effect；through the program，determine reasonable support parameters.Designed to improve the bolt and cable support parameters scientific rationality and practical reliability，and further play to the potential of bolting technology the，close coal seam support care to provide a theoretical basis and technical support.

distance coal seam；coal tunnel；bolt aud cable-based suppot；suppoting parameter；MIDAS/GTS numerical simulation

TD322+.1

A

1674-0874（2012）06-0063-06

2012-10-06

余銀（1967-），男，山西應(yīng)縣人，工程師，研究方向：煤礦安全技術(shù)管理。

book=68,ebook=73