吉艷平

（山西澤州天泰和瑞煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048012）

引言

錨桿支護(hù)作為一種高效經(jīng)濟(jì)的支護(hù)工具，在井下煤礦的使用已有百年的歷史[1]。但為適應(yīng)深部地質(zhì)開采條件，在破碎區(qū)域僅僅依靠錨桿支護(hù)難以保障煤炭資源的安全開采，因此需要同時(shí)使用錨網(wǎng)、錨索等工具進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)工作[2]。FLAC3D 是一種應(yīng)用廣泛的巖土力學(xué)分析軟件，本文以和瑞煤業(yè)3 號(hào)煤層巷道支護(hù)為例，設(shè)計(jì)出適合其地質(zhì)條件的聯(lián)合支護(hù)參數(shù)，并以FLAC 3D 3.0 版本為計(jì)算基礎(chǔ)進(jìn)行了模擬計(jì)算[3-4]，以供參考。

1 巷道支護(hù)概況

和瑞煤業(yè)井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，通過對(duì)礦井地應(yīng)力的觀測，主要受垂直地應(yīng)力影響較大，水平應(yīng)力較小。3 號(hào)煤層平均厚度5.87 m，巷道煤巖層的原巖地應(yīng)力遠(yuǎn)小于3 號(hào)煤層的煤巖體強(qiáng)度，根據(jù)巷道煤巖層的實(shí)際條件發(fā)現(xiàn)，普氏系數(shù)為2.0，圍巖有部分松軟，復(fù)采巷道頂板破碎，支護(hù)具有一定難度。

2 計(jì)算切眼錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

為確保礦井工作面安全生產(chǎn)，回采工作面切眼將布置在實(shí)體煤中。據(jù)礦井南翼巷道附近揭露煤層顯示，切眼沿3 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，為矩形斷面，斷面積、凈寬、凈高分別為13.52 m2、2.6 m、5.2 m；掘進(jìn)寬度、高度分別為5.4 m、2.7 m，斷面積14.6 m2，為全煤巷道。由于部分區(qū)域較為破碎，為保證破碎區(qū)域的安全穩(wěn)定，決定采用錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)

2.1.1 錨桿長度的確定

懸吊作用理論表明，錨桿的長度（L）包括錨桿外露長度（L1）+錨桿有效長度（L2）+錨桿固定長度（L3）。L1包括墊板和螺母，常規(guī)厚度約0.05 m；通過M.M.普羅托奇雅可諾夫的拋物形壓力拱理論，得出冒落帶高度，從而計(jì)算出頂錨桿L2為2.05 m、幫錨桿為1.41 m，通常L3取值為0.3 m。因此計(jì)算頂錨桿和幫錨桿設(shè)計(jì)長度按規(guī)格均選擇為2.4 m。

2.1.2 錨桿間排距的確定

頂、幫錨桿間排距需要根據(jù)懸吊載荷大小來確定，結(jié)合本礦井開拓巷道實(shí)際支護(hù)參數(shù)，計(jì)算出錨桿錨固力為105 N，根據(jù)“工程類比法”，當(dāng)頂（幫）錨桿取高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿（Φ20 mm）時(shí)可以滿足設(shè)計(jì)要求，間排距定為800 mm、800 mm。

2.1.3 錨桿直徑的確定

根據(jù)式（1），以錨桿桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度為原則可以計(jì)算出錨桿直徑。

式中：d 為錨桿直徑，m；Q 為錨桿錨固力，取105 kN；σt為錨桿桿體材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，取455 MPa。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）得：d=17.1 mm，滿足支護(hù)需要的條件是錨桿直徑大于17.1 mm。結(jié)合該礦井開拓、準(zhǔn)備巷道實(shí)際支護(hù)參數(shù)，同時(shí)通過“工程類比法”，設(shè)計(jì)頂錨桿取Φ20 mm 的高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿。

綜上，設(shè)計(jì)切眼煤柱頂錨桿和幫錨桿均采用直徑20 mm、長度2 400 mm 的高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿；切眼回采幫錨桿采用直徑20 mm、長度2 400 mm 的玻璃鋼錨桿；所有錨桿間排距均為800 mm、800 mm。

2.2 錨索支護(hù)參數(shù)

2.2.1 錨索長度

錨索長度（X）為錨索外露長度（X1）、潛在不穩(wěn)定巖層高度（X2）與錨索錨固長度（X3）的總和。錨索外露長度X1取0.25 m；X2可以取巷道跨度，則為5.4 m；錨索錨固長度X3為1.55 m，則錨索總長度為7.2 m，按設(shè)計(jì)規(guī)格定為8.0 m。

2.2.2 錨索間距

錨索間距設(shè)計(jì)采用“五花”布置，其中三根錨索為一排，兩根錨索為另一排，錨索間距為1 600 mm，切眼掘進(jìn)寬度為5.4 m。

2.2.3 錨索排距

錨索排距取決于錨桿失效時(shí)，錨索所承擔(dān)的巖石重量。根據(jù)式（2）可以確定錨索排距：

式中：N 為錨索數(shù)目，采用“五花”相間布置，取每排2.5 根（巷掘?qū)?.4 m）；K 為安全系數(shù)，取2.0；P斷為錨索最低破斷力，取353 kN；B 為巷道掘進(jìn)掘?qū)挘?.7 m；D 為錨索排距，m；∑h 為懸吊巖石厚度，取圍巖松動(dòng)圈冒落高度2.05 m；∑γ 為懸吊巖石平均容重，巷道上方有平均3.1 m 厚頂煤，綜合取21.7 kN/m3。

綜上，經(jīng)計(jì)算錨索排距D≤7 840 mm，結(jié)合該礦井開拓、準(zhǔn)備巷道實(shí)際支護(hù)參數(shù)，錨索排距設(shè)計(jì)定為1 600 mm。并對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)支護(hù)效果差或圍巖條件差時(shí)，應(yīng)及時(shí)縮減錨索排距。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)切眼錨索采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，直徑為17.8 mm、長度為8 000 mm，采用“五花”布置，其中三根錨索為一排，兩根錨索為另一排，錨索間排距均為1 600 mm。

3 工作面開切眼數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬不涉及大面積開挖，主要模擬錨桿和錨索聯(lián)合支護(hù)下，對(duì)圍巖的相互作用問題，因此采用FLAC3D 三維數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。

在模型建立過程中，對(duì)巖層（煤線）厚度小于0.4 m的區(qū)域進(jìn)行合并，便于減小重要區(qū)域網(wǎng)格尺寸差異。三維計(jì)算模型尺寸為長×高×寬=84.2 m×80.3 m×30 m，共劃分7 968 個(gè)單元，9 842 結(jié)點(diǎn)，模型共分15層，巖性為粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖等。采用Mohr-Coulomb plasticity model 本構(gòu)模型，應(yīng)變模式采用大應(yīng)變變形模式，模型上部模擬上覆巖層的重量，按照巷道埋深來估算靜水壓力狀態(tài)[5]。側(cè)壓系數(shù)取λ＝1，結(jié)合大巷附近鉆孔ZK2-4 見煤情況，3 號(hào)煤層位于大巷施工區(qū)域，埋深約220 m。模型水平邊界限制x 方向的位移，底邊為固定約束，即模型沿軸向z 向沒有位移，如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型示意圖

4 模擬結(jié)果分析

4.1 應(yīng)力分析

如圖2-1 切眼圍巖垂直應(yīng)力云圖，巷道掘進(jìn)導(dǎo)致垂直應(yīng)力在巷道兩幫各出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力集中程度明顯的區(qū)域。巷道兩幫垂直應(yīng)力峰值為8.93 MPa。圖2-2切眼圍巖最小主應(yīng)力云圖，在當(dāng)前地質(zhì)條件下，巷道支護(hù)強(qiáng)度能夠滿足圍巖穩(wěn)定要求時(shí)，巷道周邊圍巖不會(huì)出現(xiàn)明顯的大面積拉應(yīng)力區(qū)。

圖2 切眼開挖后圍巖應(yīng)力（Pa）云圖

從圖3 切眼圍巖塑性區(qū)分布圖中可以看出，隨著巷道的開挖，受剪進(jìn)行入塑性狀態(tài)是巷道圍巖主要表現(xiàn)方式。巷道底板由于裸支護(hù)，局部出現(xiàn)受拉而處于塑性狀態(tài)，切眼圍巖均未出現(xiàn)破壞情況，且巷道圍巖塑性區(qū)均在錨桿錨固范圍內(nèi)，說明巷道總體支護(hù)情況較好。

圖3 切眼圍巖塑性區(qū)分布圖

4.2 位移分析

采用聯(lián)合支護(hù)前后的切眼圍巖垂直位移和水平位移云圖如下頁圖4 所示。切眼開挖后，未采用聯(lián)合支護(hù)工況下切眼頂板最大下沉量為165 mm，最大底鼓量為63 mm（見圖4-1）；左幫表面最大位移量、右?guī)捅砻孀畲笪灰屏糠謩e為68 mm、69 mm（見圖4-3）。采用錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)后巷道圍巖變形量大幅減少，特別是切眼頂板下沉量降幅明顯，最大下沉量116 mm（見圖4-2），圍巖最大變形量43 mm（見圖4-4），切眼巷道整體上變形較小，可以滿足使用需求。

圖4 錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)前后切眼圍巖位移（單位：mm）云圖

5 結(jié)論

FLAC3D 作為一款數(shù)值應(yīng)用廣泛的巖土力學(xué)分析軟件，可以有效地驗(yàn)證井下巷道圍巖應(yīng)力的變化情況，根據(jù)對(duì)靈石某礦的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究分析，得出以下結(jié)論：

1）切眼巷道掘進(jìn)后，巷道兩幫各出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力集中程度明顯的區(qū)域，垂直應(yīng)力峰值達(dá)到8.93 MPa。

2）根據(jù)最小主應(yīng)力云圖，在當(dāng)前地質(zhì)條件下，切眼周邊圍巖均未出現(xiàn)明顯的大面積拉應(yīng)力區(qū)，說明圍巖穩(wěn)定，可以滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度。

3）巷道開挖后，巷道圍巖主要表現(xiàn)受剪進(jìn)行入塑性狀態(tài)，巷道底板由于裸支護(hù)，局部出現(xiàn)處于塑性狀態(tài)下受拉情況，沒有破壞切眼圍巖，同時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)均在錨桿錨固范圍內(nèi)，說明巷道總體支護(hù)情況較好。

4）切眼巷道采用錨網(wǎng)梁索聯(lián)合支護(hù)后，巷道圍巖變形有所降低，尤其頂板下沉量改善最為明顯，切眼巷道變形較小，可以使用。