李 元

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)，山西 朔州，036000）

0 引 言

煤礦開(kāi)采要保證生產(chǎn)安全，需要有巷道頂板支護(hù)，由于開(kāi)采過(guò)程的影響，巷道支撐頂板對(duì)于煤礦安全十分必要[1]。在煤礦中，由于煤礦資源的開(kāi)采，巷道周?chē)鷷?huì)存有很多巖層破碎，這些破碎的地方是最需要支撐和保護(hù)的以防止巷道坍塌，出現(xiàn)安全事故，這也是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)中巷道頂板支撐設(shè)計(jì)不合理、頂板變形量大的問(wèn)題，提出一種基于錨固串的群體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)錨固串群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，建立錨固串群體力學(xué)模型，計(jì)算相鄰錨固串錨固厚度，設(shè)計(jì)并對(duì)比不同支護(hù)方案，通過(guò)數(shù)值仿真分析，找出位移形變量最小的結(jié)構(gòu)，確定最佳支護(hù)方案。

1 錨固串群體結(jié)構(gòu)分析

在煤礦井下，煤礦的開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致頂部巖層破裂，需要采用頂板對(duì)其進(jìn)行支撐，以保證煤礦的安全開(kāi)采和生產(chǎn)安全。頂板壓力會(huì)產(chǎn)生擠壓和橫向擴(kuò)張，對(duì)該過(guò)程進(jìn)行模擬，如圖1 所示。

圖1 間距不同錨桿壓應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果

由圖1 的壓應(yīng)力數(shù)值模擬圖可知，單根錨桿時(shí)，頂板形成一個(gè)橢圓的錨固結(jié)構(gòu)體，當(dāng)錨桿間距過(guò)大時(shí)，壓應(yīng)力大，各錨固體處于分離狀態(tài)，無(wú)法形成一個(gè)整體。當(dāng)不同的錨桿設(shè)計(jì)布局合理，能夠提供較大的支持力，形成一個(gè)整體，當(dāng)錨桿不能形成牢固的整體，就會(huì)導(dǎo)致頂板垮落，給礦井開(kāi)采造成安全隱患。當(dāng)不同的錨桿形成整體的固定體，向周?chē)a(chǎn)生抗擠壓力，受力模型如圖2 所示。

對(duì)錨固結(jié)構(gòu)在縱向和橫向上連結(jié)，將破碎巖石串連，形成一種有力的支護(hù)，這種結(jié)構(gòu)即是錨固串結(jié)構(gòu)。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)不是單一的結(jié)構(gòu)，而是多個(gè)錨固串形成一個(gè)群體共同支撐巖層頂板，又被稱(chēng)為錨固串群體結(jié)構(gòu)，錨固串群體結(jié)構(gòu)是礦井安全生產(chǎn)中用于頂板支撐的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。

圖2 錨固串群體受力模型

進(jìn)行力學(xué)分析前，首先提出假設(shè)，假設(shè)如下；巖體性質(zhì)為均一、穩(wěn)定的彈性體，各個(gè)方向是同性的，以錨桿尾部為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立力學(xué)平衡圖，進(jìn)行力學(xué)分析，如圖3 所示。

圖3 錨固串群體結(jié)構(gòu)力學(xué)平面模型

由圖3 可知，兩個(gè)錨桿相鄰，對(duì)其受力分析，兩個(gè)錨桿之間的距離為d，錨桿的半徑為ρ，錨桿固定部分的長(zhǎng)度為l，相鄰部分的厚度為T(mén)。根據(jù)受力分析圖，確定平面邊界方程為：

兩個(gè)錨桿間距離為d，則錨桿一側(cè)的平衡邊界方程為：

對(duì)（1）和（2）進(jìn)行整理，得到兩個(gè)相鄰錨桿厚度T 為

煤礦井下巷道設(shè)計(jì)需要參照煤礦地質(zhì)特征和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件，進(jìn)行合理的布局和設(shè)計(jì)，以達(dá)到穩(wěn)定頂板支撐的目的。

2 14210 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)煤礦井下需要設(shè)計(jì)錨固群體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足支護(hù)條件，設(shè)計(jì)2 種不斷的錨固串群體結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)頂板支護(hù)的需要。兩種不同結(jié)構(gòu)方式分別為，（a）兩個(gè)錨固串具有一定的距離，不相交；（b）兩個(gè)錨固串相切。設(shè)計(jì)頂板支護(hù)時(shí)，強(qiáng)度最弱的部分作為支護(hù)部分，保證巖板穩(wěn)定，當(dāng)強(qiáng)度弱的部分能夠滿(mǎn)足支護(hù)要求時(shí)，則認(rèn)為其他部分也能達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

本研究以麻家梁礦矩形巷道為例，設(shè)置錨桿不同的間距進(jìn)行對(duì)比分析，選擇巷道告280mm，寬3400mm 的巷道，不同巷道的截面積相等，均為9.52m2。錨桿直徑20mm，材料為樹(shù)脂材料。1 情況下，錨桿錨固段長(zhǎng)度1.8m，錨桿錨固段中點(diǎn)半徑ρ 為500mm，錨桿預(yù)應(yīng)力為20kN。設(shè)計(jì)方案如圖4 所示。（a）中相鄰錨桿間距為1200mm，計(jì)算可得錨固厚度T=0，（b）中錨桿相鄰間距為1000mm，計(jì)算可得錨固厚度T=0，以此為依據(jù)進(jìn)行下一步分析。

圖4 不同錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)對(duì)比

3 結(jié)合井下巷道結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析

3.1 實(shí)際模型建立

為了對(duì)兩種不同的錨桿支護(hù)方案進(jìn)行分析對(duì)比，開(kāi)展數(shù)值模擬。數(shù)值模擬軟件采用應(yīng)力分析常用軟件FLAC3D軟件，設(shè)礦井巷道深H=500 m，巖體均勻一致的彈性體，巖體應(yīng)力σ 為125 MPa，設(shè)定邊界問(wèn)題，采用固定位移，數(shù)學(xué)模型為30 m×10 m×30 m，應(yīng)力能夠均勻分布到模型上，數(shù)值仿真模型如圖5 所示。

圖5 實(shí)際的14210 巷道分布圖

3.2 將14210 巷道結(jié)合模型進(jìn)行分析

建立數(shù)學(xué)模型后，將不同的參數(shù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)并引入邊界函數(shù)，開(kāi)始進(jìn)行矩形巷道支護(hù)板位移變形模擬，并分析模擬結(jié)果。巖層頂板和地板受到應(yīng)力作用產(chǎn)生的位移云圖如圖6 所示。

圖6 頂?shù)装逦灰圃茍D

由圖6 可知，在均勻受力時(shí)，錨桿支撐部位產(chǎn)生的位移大，對(duì)于（a）和（b）兩種間距不同的錨桿，應(yīng)力產(chǎn)生的位移不等。根據(jù)數(shù)值模擬分析的數(shù)據(jù)，求得位移曲線(xiàn)圖，如圖7 所示。

由圖7 可知，錨桿間距1200 mm 的巷道頂?shù)装瀹a(chǎn)生的位移最大，而錨桿間距1000 mm 的位移最小，最大位移量為1049.2 mm，最小位移量為683.85 mm，通過(guò)對(duì)比可知，間距1200 mm 產(chǎn)生的位移變量過(guò)大，無(wú)法滿(mǎn)足煤礦巖層頂板支護(hù)的需要。兩種不同的方案中，第二種方案，即錨桿間距為1000 mm 的位移變形量小，可以滿(mǎn)足頂板支護(hù)的需要。

通過(guò)受力分析和仿真對(duì)比分析，知道兩種不同設(shè)計(jì)方案中，（b）方案對(duì)于巖層頂板支撐和穩(wěn)定的方案最優(yōu)，設(shè)計(jì)間距為1000 mm 的錨桿距離能夠滿(mǎn)足礦井安全生產(chǎn)和頂板支護(hù)，是最優(yōu)的錨固串群體結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

針對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程中，巷道支護(hù)頂板存在支護(hù)破碎頂板易變形、穩(wěn)定性差的問(wèn)題，對(duì)錨固串群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，通過(guò)建立錨固串群體力學(xué)模型，計(jì)算相鄰錨固串錨固厚度，確定最佳錨桿結(jié)構(gòu)支護(hù)方案。以矩形巷道為例，設(shè)計(jì)2 種錨固串群體結(jié)構(gòu)，建立模型并進(jìn)行對(duì)比分析，選擇不同的支護(hù)方案對(duì)比，相鄰錨桿間距分別為1200mm，1000mm，進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。結(jié)果證明最優(yōu)支護(hù)間距1000 mm，找出了最優(yōu)錨固串群體結(jié)構(gòu)，根據(jù)巷道特征，確定錨固群體結(jié)構(gòu)參數(shù)，為煤礦安全生產(chǎn)提供了保障。