朱欣鵬

（晉能控股煤業(yè)集團鐵峰煤業(yè)公司南陽坡礦， 山西 右玉 037200）

引言

在地質(zhì)條件確定的情況下，支護(hù)效果的好壞往往是由支護(hù)參數(shù)決定，所以對于支護(hù)參數(shù)的研究非常重要。本次模擬運用FLAC3D 軟件。由于巷道上賦巖層的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨桿產(chǎn)生的應(yīng)力場，使得應(yīng)力場不易體現(xiàn)，這對研究造成了很大的困擾，所以在模擬中不考慮原巖應(yīng)力，即在零原巖應(yīng)力場條件下，以晉能控股煤業(yè)集團鐵峰南陽坡礦8704 工作面8 號煤層地質(zhì)條件為背景，采用數(shù)值模擬的方法，分析支護(hù)參數(shù)對巷道支護(hù)效果的影響。

1 8704 工作面概況

8704 工作面位于307 盤區(qū)中東部，為8 號307盤區(qū)首采面，四周均為實煤區(qū)，北部接近110 m 大斷層，西部為307 盤區(qū)巷。上覆為3 號層、5 號層8704采空區(qū)。其回采巷道頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 8704 工作面巷道頂?shù)装鍘r性特征

2 支護(hù)參數(shù)選取

使用FLAC3D 軟件對巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬，其中包括錨桿長度、間距、預(yù)緊力、角度以及錨索與W鋼帶。通過分析比較得出相關(guān)規(guī)律。

3 支護(hù)參數(shù)的影響情況

3.1 錨桿長度對支護(hù)效果的影響

考慮到的巷道頂板情況，錨桿長度的研究范圍為1.6~3.0 m，相鄰錨桿之間的長度差為0.2 m，所以一共模擬8 種不同長度的錨桿。將錨桿預(yù)緊力設(shè)為80 kN，通過模擬得到每種長度錨桿的頂板移近率，然后匯成曲線圖，具體情況見圖1。

圖1 錨桿長度對頂板移近率的影響

由圖1 可知，錨桿對于頂板位移量有很好的控制，將頂板移近率控制在3.2%以下，而且呈現(xiàn)規(guī)律性變化。在錨桿長度增加的過程中，移近率變化由急變緩，最終基本保持不變，總體呈現(xiàn)降低的趨勢。在長度2.0 m 之前時影響較大，2.0 m 之后影響減弱，在2.6 m之后基本沒有影響。如果頂板的條件不好或者考慮經(jīng)濟因素，可以適當(dāng)增加預(yù)緊力，降低錨桿長度在2.0~2.4 m范圍內(nèi)取值[1]。

3.2 錨桿間距對支護(hù)效果的影響

錨桿預(yù)緊力仍然設(shè)定為80 kN，長度定為2.6 m，錨桿間距從0.5 m 開始取值，以0.5 m 遞增直到2.0 m，一共模擬四次，如下頁圖2 所示。

由下頁圖2 可知，在預(yù)應(yīng)力錨桿長度保持不變的情況下，錨桿間距較大，其產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力場是孤立的，每根錨桿的應(yīng)力場之間沒有任何聯(lián)系，而且每根錨桿之間有大部分區(qū)域的應(yīng)力值為0。當(dāng)支護(hù)密度逐步增加時，錨桿間的距離縮短，錨桿產(chǎn)生的應(yīng)力場不再孤立，彼此之間有了聯(lián)系，出現(xiàn)了接觸重合的地方，而且每根錨桿之間的應(yīng)力值為零的區(qū)域逐步消失。此時每根錨桿發(fā)揮了自己的效果，構(gòu)成了一個支護(hù)整體。但是錨桿間距縮小到一定數(shù)值后，再減小錨桿間距，錨桿形成的有效壓應(yīng)力區(qū)域增加不明顯。所以間距選擇在1.0 m 左右[2-3]。

圖2 不同錨桿間距應(yīng)力云圖

3.3 錨桿預(yù)緊力對錨桿支護(hù)效果的影響

合理的預(yù)緊力可以有效提升錨桿的支護(hù)效果，保持巷道的穩(wěn)定性。在其他參數(shù)相同的情況下，錨桿預(yù)緊力取40 kN、100 kN 的應(yīng)力圖如圖3 所示。由圖3可知，在一定范圍內(nèi)錨桿預(yù)緊力大小的不同，產(chǎn)生的應(yīng)力云圖有很大的差別。高預(yù)緊力可以有效提高桿尾應(yīng)力的集中程度，使有效壓應(yīng)力的范圍有了很大的提高。而且在中部產(chǎn)生的高應(yīng)力區(qū)域也明顯增加，大大提升了錨桿的支護(hù)效果[4-5]。

圖3 不同錨桿預(yù)緊力應(yīng)力云圖

3.4 錨桿角度對支護(hù)效果的影響

頂角錨桿角度的取值范圍為0°~30°，相互間隔為10°。錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)為80 kN，其應(yīng)力云圖見圖4。

由圖4 可知，頂角錨桿在角度增大的過程中，其預(yù)應(yīng)力區(qū)的大小和范圍發(fā)生了明顯的改變，應(yīng)力區(qū)從0°時整體作用體系中，開始一點點的分離出來。其產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)域和相鄰錨桿產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)域能夠接觸重疊的地方越來越少，慢慢演變成孤立的形式。在30°時這種情況尤為明顯，此時支護(hù)效果最差。所以為了發(fā)揮錨桿的效果，應(yīng)盡量降低錨桿的角度，最好控制在20°以內(nèi)[6]。

3.5 錨索與W 鋼帶對巷道支護(hù)效果的影響

3.5.1 錨索與錨桿共同作用對支護(hù)效果的影響

由模擬可知，在添加錨索和無錨索時，頂板位移量相差50 mm 左右，錨索對于控制頂板位移有著非常顯著的效果。錨索由于自身獨特的優(yōu)勢，可與錨桿相互配合，適用于巷道圍巖破碎的補強支護(hù)當(dāng)中[7]。

3.5.2 W 鋼帶對錨桿支護(hù)效果的影響

在支護(hù)中有、無鋼帶的應(yīng)力云圖如圖5 所示。

圖5 有、無鋼帶應(yīng)力云圖

從圖5 可知，在無鋼帶時，錨桿尾部產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)呈現(xiàn)半圓形狀態(tài)，應(yīng)力較為集中且頂板深部應(yīng)力連接也較為孤立；而添加鋼帶后，錨桿尾部產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)變得扁平，水平距離拉大，說明應(yīng)力向兩邊發(fā)生了擴散，與此同時頂板深部應(yīng)力場不再孤立，彼此之間有了聯(lián)系，出現(xiàn)了接觸重合的地方，構(gòu)成了一個支護(hù)整體，支護(hù)效果得到了改善。

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬，得出回采巷道錨桿長度、錨桿間距，錨桿預(yù)緊力，錨桿角度以及錨索、W 鋼帶輔助支護(hù)物等對巷道支護(hù)效果的影響規(guī)律，對煤礦支護(hù)有一定的指導(dǎo)作用。