摘 要：以涼水井煤礦42108工作面回風(fēng)順槽為工程依托，進(jìn)行巷道錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)，并用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)支護(hù)前及支護(hù)后的圍巖移動(dòng)及應(yīng)力分布等圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示采用文章提出的錨桿（索）支護(hù)方式能夠有效減少圍巖移動(dòng)量，避免應(yīng)力分布過(guò)分集中，結(jié)果顯示該支護(hù)方案能夠有效保持圍巖穩(wěn)定性，為相似工程提供了理論及實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：錨桿支護(hù)；模擬分析；FLAC3D；冒落拱理論

引言

在工作面回采過(guò)程中，巷道在采動(dòng)影響下，圍巖受到明顯擾動(dòng)，使得巷道產(chǎn)生明顯變形量，甚至造成圍巖破壞，大大降低圍巖穩(wěn)定性[1-3]。錨桿（索）支護(hù)方式具有工藝簡(jiǎn)單、安裝速度快、效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且可以有效提高巷道圍巖穩(wěn)定性，從而能夠充分保障巷道安全性，是應(yīng)用最為普遍和成熟的巷道支護(hù)技術(shù)[4]。

涼水井煤礦地處榆神礦區(qū)二期規(guī)劃區(qū)的西北部，礦井北接神府礦區(qū)，南鄰西包鐵路，西與錦界煤礦毗鄰，年產(chǎn)量400萬(wàn)噸。涼水井煤礦421盤區(qū)的42108工作面寬度240m，走向長(zhǎng)度為4045m，開(kāi)采的4-2煤平均厚度約為3m，采用綜合機(jī)械化采煤方法。文章中作者根據(jù)42108工作面工程地質(zhì)條件進(jìn)行巷道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用FLAC3D對(duì)支護(hù)前及支護(hù)后的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為相似工程提供了理論及實(shí)踐依據(jù)。

1 工程概況

涼水井煤礦42108回風(fēng)順槽斷面設(shè)計(jì)主要為矩形，巷道平均埋深190m。該工作面回風(fēng)順槽頂板為層狀復(fù)合頂板，煤層上巖體為軟硬交替層狀巖石，其中有少量夾矸，夾矸平均厚度為0.15m。巷道頂板直接頂為泥巖，老頂為砂巖，老頂單軸抗壓強(qiáng)度Rc=23MPa，抗拉強(qiáng)度Rt=23MPa。老頂巖性為上部粗砂巖，下部細(xì)砂巖，巖體中含石英，長(zhǎng)石及云母。直接頂泥巖平均為1.9m，含植物化石及黃鐵礦結(jié)核。直接底為粉砂巖，平均厚為1.5m，灰色、灰黑色，硬度中等，夾石英砂巖薄層。老底為粉砂巖加石英砂巖，平均厚度為11.43m，灰色，黑灰色，粉砂巖、石英砂巖互層，硬度中等，為石英砂巖時(shí)硬度較硬，含植物化石及含黃鐵礦結(jié)核。巷道頂板各層巖層的物理力學(xué)性質(zhì)如表1、2所示。

表1 涼水井煤礦42108工作面煤層頂?shù)装迩闆r

表2 巷道頂板各巖層的物理力學(xué)參數(shù)表

2 錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 冒落拱高度計(jì)算

主要依據(jù)非彈性區(qū)理論和組合拱理論進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[5-6]

巷道寬B=5.5m，半跨a=2.75m，高h(yuǎn)=3.5m，等效圓半徑

則不支護(hù)時(shí)煤巷內(nèi)部最大非彈性區(qū)半徑R0為：

式中：P為累計(jì)地應(yīng)力19023=1.37MPa.

則兩幫非彈性區(qū)深度：a1=2.38-1.75=0.63m，

頂部非彈性區(qū)深度：

a2=2.38-3.26/2=1.63m

冒落拱高度：

b=■=1.65m，

2.2 頂錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

頂板采用？椎18的左旋螺紋鋼錨桿，屈服強(qiáng)度為65kN。選取錨桿排距為 ，頂板冒落拱內(nèi)錨桿承受煤體的重量：

G=？酌×D×S

式中：？酌為頂板巖體容重；S為冒落拱包絡(luò)線內(nèi)巖體截面積；D為錨桿排距。

代入數(shù)據(jù)，考慮動(dòng)壓影響系數(shù)得：

G=k1×？酌×D×S

式中：k1為動(dòng)壓影響系數(shù)。

取動(dòng)壓系數(shù)為2.0，則：

G=0.0184×2.0×1×3.3×1.8=218.6kN

則每排錨桿的根數(shù)n為：

n=■=3.36

因此，選取錨桿根數(shù)為n=4，則錨桿間排距為900×1000mm。

錨固長(zhǎng)度：

La=■

式中：P-錨桿設(shè)計(jì)拉拔荷載；K-安全系數(shù)；D-鉆孔直徑；？子r-錨桿錨固端與巖體間的粘結(jié)力。

則錨固長(zhǎng)度為：

單根錨桿錨固時(shí)所需錨固劑的根數(shù)為：

式中： la-每根錨固劑的長(zhǎng)度。

2.3 幫錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果對(duì)涼水井煤礦42108回風(fēng)順槽幫部錨桿的支護(hù)參數(shù)選取方案為：兩幫各三根錨桿，？椎18×1800mm型左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900×1000mm，設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度1200mm （注：1根長(zhǎng)600mm）。

2.4 錨索參數(shù)設(shè)計(jì)

錨索的作用主要是根據(jù)懸吊理論將錨桿所錨固的組合梁懸吊于頂板深部較穩(wěn)定巖層。頂錨桿長(zhǎng)度1.62m，設(shè)錨索承重范圍超出錨桿0.25m，錨索排距為2.0m，則錨索所承受的上部巖體重量為：

G=？酌·S·D=0.0184×（3.3+0.25×2）×1.8×2.0=347.8kN

直徑？椎17.8mm鋼鉸線，屈服強(qiáng)度為280kN，則每排錨桿的根數(shù)n為：

n=■=1.242

則每排選用2根，其錨固長(zhǎng)度：

取錨固長(zhǎng)度2.0m，頂索長(zhǎng)度由下式計(jì)算：

L索=La+Lb+Lc

式中：Lc-錨索外露長(zhǎng)度，取0.3m；Lb-錨索的自由段長(zhǎng)度，取3.2m。

根據(jù)地質(zhì)條件，直接頂最大厚度為3.8m。老頂作為錨索的錨固點(diǎn)，因此，頂板錨索長(zhǎng)度為：

L索=2.0+3.8+0.3=6.1m

綜上所述，對(duì)42108回風(fēng)順槽理論計(jì)算所得錨桿（索）支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方案如下：（1）錨桿。頂部4根錨桿，？椎18×2000mm型左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900×1000mm，錨固長(zhǎng)度1200mm（注：?jiǎn)胃^固劑長(zhǎng)600mm），靠近兩幫的兩根錨桿與水平呈45°進(jìn)行錨固，預(yù)緊力43KN；巷道兩幫各3根錨桿，？椎18×1800mm型左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900×1000mm，錨固長(zhǎng)度1200mm（注：?jiǎn)胃^固劑長(zhǎng)600mm），預(yù)緊力為30KN。（2）錨索。取錨索長(zhǎng)度為6.5m，錨固長(zhǎng)度為1.8m（注：?jiǎn)胃^固劑長(zhǎng)600mm），錨索間排距為1.6×3m，預(yù)緊力為100KN。涼水井煤礦42108回風(fēng)順槽錨桿（索）支護(hù)參數(shù)優(yōu)化如圖1所示。endprint

圖1 42108回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3 支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

針對(duì)涼水井煤礦42108工作面回風(fēng)順槽的地質(zhì)采礦條件，根據(jù)采礦工程問(wèn)題特點(diǎn)，利用FLAC3D模擬軟件，建立了合理的數(shù)值分析模型分別對(duì)支護(hù)前及支護(hù)后的巷道圍巖變形及應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析[7-8]。模擬結(jié)果如圖2-圖7所示。

圖2 無(wú)支護(hù)豎向位移分布云圖

圖3 無(wú)支護(hù)橫向位移分布云圖

圖4 無(wú)支護(hù)豎向應(yīng)力分布云圖

圖5 支護(hù)條件下豎向位移分布云圖

圖6 支護(hù)條件下橫向位移分布云圖

圖7 支護(hù)條件下豎向應(yīng)力分布云圖

通過(guò)數(shù)值模擬分析可以得出，巷道在沒(méi)有采取支護(hù)措施時(shí)，頂板下沉量達(dá)到了35.5mm，采取支護(hù)措施后頂板下沉量18.3mm，減少了48.5%。而兩幫位移量減少了50.6%；巷道在未采取支護(hù)措施時(shí)豎向應(yīng)力分布過(guò)于集中，不利于保持圍巖穩(wěn)定，采取支護(hù)措施后頂板中豎向最大應(yīng)力為0.67-1MPa，拋物線分布，在支護(hù)作用下，煤柱應(yīng)力在兩幫煤柱中分布范圍加大，最大應(yīng)力8.35MPa，避免了因應(yīng)力集中而引起煤體破壞。根據(jù)巷道在優(yōu)化前后支護(hù)條件下數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析可以看出42108工作面回風(fēng)順槽在支護(hù)條件下巷道變形明顯減小，而且有效優(yōu)化了應(yīng)力分布，說(shuō)明采用新的支護(hù)參數(shù)有效的維護(hù)了巷道的穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章以涼水井煤礦42108工作面回風(fēng)順槽為背景，以冒落拱理論為基礎(chǔ)，利用相關(guān)理論進(jìn)行巷道錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)，并用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)支護(hù)前及支護(hù)后的圍巖移動(dòng)及應(yīng)力分布等圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示采用文章提出的錨桿（索）支護(hù)方式能夠有效減少圍巖移動(dòng)量，避免應(yīng)力分布過(guò)分集中，從而能夠有效保持圍巖穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]錢鳴高，劉聽(tīng)成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.

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[3]陳德良.礦建工程巷道掘進(jìn)錨桿支護(hù)技術(shù)分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2014（04）：103+105.

[4]張蕾，張志明，蔡健.巨厚煤頂巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化[J]. 煤礦安全，2014（04）：183-186.

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[6]孫長(zhǎng)春.小紀(jì)汗煤礦首采工作面錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭與化工，2014（01）：93-96.

[7]康紅普，林健.煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)在潞安礦區(qū)的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（增）：106-110.

[8]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)利水電出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介：王磊（1986-），男，陜西富平人，助理工程師，現(xiàn)任神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司地質(zhì)測(cè)量部經(jīng)理，從事煤礦地質(zhì)測(cè)量管理工作。endprint

圖1 42108回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3 支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

針對(duì)涼水井煤礦42108工作面回風(fēng)順槽的地質(zhì)采礦條件，根據(jù)采礦工程問(wèn)題特點(diǎn)，利用FLAC3D模擬軟件，建立了合理的數(shù)值分析模型分別對(duì)支護(hù)前及支護(hù)后的巷道圍巖變形及應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析[7-8]。模擬結(jié)果如圖2-圖7所示。

圖2 無(wú)支護(hù)豎向位移分布云圖

圖3 無(wú)支護(hù)橫向位移分布云圖

圖4 無(wú)支護(hù)豎向應(yīng)力分布云圖

圖5 支護(hù)條件下豎向位移分布云圖

圖6 支護(hù)條件下橫向位移分布云圖

圖7 支護(hù)條件下豎向應(yīng)力分布云圖

通過(guò)數(shù)值模擬分析可以得出，巷道在沒(méi)有采取支護(hù)措施時(shí)，頂板下沉量達(dá)到了35.5mm，采取支護(hù)措施后頂板下沉量18.3mm，減少了48.5%。而兩幫位移量減少了50.6%；巷道在未采取支護(hù)措施時(shí)豎向應(yīng)力分布過(guò)于集中，不利于保持圍巖穩(wěn)定，采取支護(hù)措施后頂板中豎向最大應(yīng)力為0.67-1MPa，拋物線分布，在支護(hù)作用下，煤柱應(yīng)力在兩幫煤柱中分布范圍加大，最大應(yīng)力8.35MPa，避免了因應(yīng)力集中而引起煤體破壞。根據(jù)巷道在優(yōu)化前后支護(hù)條件下數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析可以看出42108工作面回風(fēng)順槽在支護(hù)條件下巷道變形明顯減小，而且有效優(yōu)化了應(yīng)力分布，說(shuō)明采用新的支護(hù)參數(shù)有效的維護(hù)了巷道的穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章以涼水井煤礦42108工作面回風(fēng)順槽為背景，以冒落拱理論為基礎(chǔ)，利用相關(guān)理論進(jìn)行巷道錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)，并用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)支護(hù)前及支護(hù)后的圍巖移動(dòng)及應(yīng)力分布等圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示采用文章提出的錨桿（索）支護(hù)方式能夠有效減少圍巖移動(dòng)量，避免應(yīng)力分布過(guò)分集中，從而能夠有效保持圍巖穩(wěn)定性。

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[7]康紅普，林健.煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)在潞安礦區(qū)的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（增）：106-110.

[8]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)利水電出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介：王磊（1986-），男，陜西富平人，助理工程師，現(xiàn)任神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司地質(zhì)測(cè)量部經(jīng)理，從事煤礦地質(zhì)測(cè)量管理工作。endprint

圖1 42108回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3 支護(hù)效果數(shù)值模擬分析

針對(duì)涼水井煤礦42108工作面回風(fēng)順槽的地質(zhì)采礦條件，根據(jù)采礦工程問(wèn)題特點(diǎn)，利用FLAC3D模擬軟件，建立了合理的數(shù)值分析模型分別對(duì)支護(hù)前及支護(hù)后的巷道圍巖變形及應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析[7-8]。模擬結(jié)果如圖2-圖7所示。

圖2 無(wú)支護(hù)豎向位移分布云圖

圖3 無(wú)支護(hù)橫向位移分布云圖

圖4 無(wú)支護(hù)豎向應(yīng)力分布云圖

圖5 支護(hù)條件下豎向位移分布云圖

圖6 支護(hù)條件下橫向位移分布云圖

圖7 支護(hù)條件下豎向應(yīng)力分布云圖

通過(guò)數(shù)值模擬分析可以得出，巷道在沒(méi)有采取支護(hù)措施時(shí)，頂板下沉量達(dá)到了35.5mm，采取支護(hù)措施后頂板下沉量18.3mm，減少了48.5%。而兩幫位移量減少了50.6%；巷道在未采取支護(hù)措施時(shí)豎向應(yīng)力分布過(guò)于集中，不利于保持圍巖穩(wěn)定，采取支護(hù)措施后頂板中豎向最大應(yīng)力為0.67-1MPa，拋物線分布，在支護(hù)作用下，煤柱應(yīng)力在兩幫煤柱中分布范圍加大，最大應(yīng)力8.35MPa，避免了因應(yīng)力集中而引起煤體破壞。根據(jù)巷道在優(yōu)化前后支護(hù)條件下數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析可以看出42108工作面回風(fēng)順槽在支護(hù)條件下巷道變形明顯減小，而且有效優(yōu)化了應(yīng)力分布，說(shuō)明采用新的支護(hù)參數(shù)有效的維護(hù)了巷道的穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章以涼水井煤礦42108工作面回風(fēng)順槽為背景，以冒落拱理論為基礎(chǔ)，利用相關(guān)理論進(jìn)行巷道錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)，并用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)支護(hù)前及支護(hù)后的圍巖移動(dòng)及應(yīng)力分布等圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示采用文章提出的錨桿（索）支護(hù)方式能夠有效減少圍巖移動(dòng)量，避免應(yīng)力分布過(guò)分集中，從而能夠有效保持圍巖穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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[4]張蕾，張志明，蔡健.巨厚煤頂巷道錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化[J]. 煤礦安全，2014（04）：183-186.

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[6]孫長(zhǎng)春.小紀(jì)汗煤礦首采工作面錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭與化工，2014（01）：93-96.

[7]康紅普，林健.煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)在潞安礦區(qū)的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2001，26（增）：106-110.

[8]陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)利水電出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介：王磊（1986-），男，陜西富平人，助理工程師，現(xiàn)任神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司地質(zhì)測(cè)量部經(jīng)理，從事煤礦地質(zhì)測(cè)量管理工作。endprint