錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)井巷圍巖變形的影響分析

侯朝祥

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030203）

引言

我國(guó)煤礦開采初期由于支護(hù)方式不合理且支護(hù)不到位常發(fā)生頂板坍塌、兩幫垮落等事故，嚴(yán)重威脅著井下作業(yè)人員的生命安全，大大降低了煤炭生產(chǎn)效率。采用液壓支架對(duì)工作面支護(hù)，在一定程度上提升了煤礦生產(chǎn)的安全性，同時(shí)采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式可進(jìn)一步強(qiáng)化工作面生產(chǎn)的安全性[1]。對(duì)于錨桿支護(hù)而言，需根據(jù)煤礦工作面地質(zhì)、煤層以及水文等條件設(shè)置最佳支護(hù)參數(shù)，達(dá)到最佳支護(hù)效果。本文將著重研究錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)井巷圍巖變形的影響。

1 工程概況

本文以鎮(zhèn)城底礦礦井3 號(hào)煤層所屬工作面為研究對(duì)象，該工作面的煤層平均厚度為6.06 m，其中可開采煤層的厚度為5.87 m。3 號(hào)煤為井田內(nèi)主要的可采煤層，位于山西組的下部，井田四周均有風(fēng)化剝蝕。煤層厚為 0～9.17 m，平均 5.71 m，含夾矸 0～3 層，一般0～2 層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為全井田穩(wěn)定可采煤層。3號(hào)煤層所屬工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

經(jīng)探測(cè)可知，3 號(hào)煤層工作面頂板的抗壓強(qiáng)度13.3 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.6 MPa；老頂?shù)目箟簭?qiáng)度23.2 MPa，抗拉強(qiáng)度1.3 MPa。該礦瓦斯絕對(duì)涌出量為5.68 m3/min，掘進(jìn)最大絕對(duì)涌出量為0.25 m3/min，二氧化碳（CO2）絕對(duì)涌出量為3.79 m3/min，批復(fù)為低瓦斯礦井。

表1 3 號(hào)煤層工作面頂?shù)装迩闆r

本文將采用有限元分析手段對(duì)3 號(hào)煤層所屬工作面的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提升井巷支護(hù)效果，保證工作面安全生產(chǎn)的目的[2]。

2 井巷支護(hù)現(xiàn)狀及仿真分析

2.1 井巷支護(hù)現(xiàn)狀

經(jīng)對(duì)3 號(hào)煤層工作面地質(zhì)、煤層以及水文條件分析可知，該工作面井巷的圍巖穩(wěn)定性較差，而且，該工作面的斷面形狀為半圓拱形，其中半圓拱形的直徑為5 m，斷面最高點(diǎn)的高度為4.5 m。目前，3 號(hào)煤層工作面采用全斷面一次開挖的開采方式。為保證開挖后斷面圍巖的穩(wěn)定性，在開挖后采用噴射混凝土和錨桿的支護(hù)方式對(duì)井巷圍巖進(jìn)行控制[3]。具體支護(hù)步驟與參數(shù)如下：

1）巷道開挖后首先在巖層表面噴射30 mm 厚的混凝土；

2）混凝土表面打錨桿并掛鋼筋網(wǎng)；

3）急需噴射厚度為70 mm 的混凝土，保證兩次噴射混凝土的厚度不小于100 mm。

當(dāng)前支護(hù)所采用錨桿的直徑為22 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 100，錨桿間距為800 mm，錨桿排間距為1 000 mm。所采用鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為150 mm×150 mm，鋼筋的直徑為6.5 mm。

2.2 井巷開挖初期仿真分析

根據(jù)3 號(hào)煤層工作面的實(shí)際尺寸建立數(shù)值模擬模型，并根據(jù)巖層、煤層等條件對(duì)模型中的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，該井巷圍巖的力學(xué)參數(shù)如下頁(yè)表2 所示。

基于所搭建的數(shù)值模擬模型，將對(duì)井巷未開挖時(shí)的初始應(yīng)力和開挖初期支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1）井巷初始應(yīng)力模擬結(jié)果。經(jīng)仿真模擬可知，3號(hào)煤層工作面在開挖初期初始水平應(yīng)力值大于垂直應(yīng)力值。其中，在水平方向以井巷的中心為界限呈現(xiàn)對(duì)稱分布；在垂直方向，初始應(yīng)力值從下到上依次增大。對(duì)于井巷的初始位移而言，在水平方向的位移從中間向兩側(cè)依次增大，最大為53.1 mm；在垂直方向的位移從井巷底部到上部依次增加，最大為37.6 mm。

表2 3 號(hào)煤層工作面井巷圍巖的力學(xué)參數(shù)

2）井巷開挖初期模擬結(jié)果。為驗(yàn)證當(dāng)前支護(hù)參數(shù)對(duì)井巷圍巖的控制效果，分別對(duì)有支護(hù)手段和無(wú)支護(hù)手段下井巷圍巖的變形情況進(jìn)行仿真對(duì)比，并得出如下結(jié)論：在噴射混凝土和錨桿支護(hù)的聯(lián)合作用下，對(duì)經(jīng)井巷的圍巖得到明顯控制，與無(wú)支護(hù)手段相比圍巖的位移、變形很小。具體分析，當(dāng)前支護(hù)參數(shù)對(duì)井巷頂板的控制效果較好，而對(duì)井巷兩幫的控制效果相對(duì)差一些，并且對(duì)巷道底板圍巖位移也起到一定的控制作用[4]。

3 錨桿支護(hù)參數(shù)對(duì)井巷圍巖變形的影響

3 號(hào)煤層當(dāng)前所噴射的混凝土在錨桿的作用下與圍巖形成一個(gè)錨固區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)圍巖變形的控制。噴射混凝土+錨桿支護(hù)對(duì)圍巖的控制效果在一定程度上決定于所選用錨桿的類型，即錨桿參數(shù)會(huì)對(duì)井巷圍巖的變形具有一定的影響作用。這里所述的錨桿參數(shù)包括有錨桿長(zhǎng)度、直徑、間距以及預(yù)應(yīng)力等。本文將對(duì)上述不同錨桿參數(shù)對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果進(jìn)行仿真模擬分析。

3.1 錨桿長(zhǎng)度對(duì)井巷圍巖變形的影響

本節(jié)對(duì)長(zhǎng)度為1 500 mm、1 800 mm、2 100 mm、2 400 mm、2 700 mm 錨桿的支護(hù)效果進(jìn)行研究，所選取錨桿的直徑為22 mm，錨桿間距為800 mm。結(jié)合第2 節(jié)中所建立的數(shù)值模擬模型，對(duì)不同錨桿長(zhǎng)度下井巷圍巖的變形進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見表3。

如表3 所示，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為1 500 mm 和1 800 mm 時(shí)，巷道頂?shù)装逡约皟蓭臀灰屏繋缀跻恢?；隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2 100 mm 和2 400 mm 時(shí)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰屏棵黠@降低，且兩種長(zhǎng)度規(guī)格錨桿對(duì)圍巖變形的控制效果一致；當(dāng)錨桿長(zhǎng)度為2 700 mm 時(shí)，巷道圍巖的變形量進(jìn)一步減小。因此，綜上所述，應(yīng)將錨桿長(zhǎng)度設(shè)定為2 400 mm以上。但是，過長(zhǎng)的錨桿長(zhǎng)度會(huì)增加施工難度，從而降低效率。

表3 錨桿長(zhǎng)度對(duì)井巷圍巖變形的影響 mm

3.2 錨桿直徑對(duì)井巷圍巖變形的影響

本節(jié)對(duì)直徑為 16 mm、18 mm、20 mm、22 mm 以及24 mm 錨桿的支護(hù)效果進(jìn)行研究，所選取錨桿的長(zhǎng)度為24 mm，錨桿間距為800 mm。仿真結(jié)果如表4所示。

表4 錨桿直徑對(duì)井巷圍巖變形的影響 mm

如表4 所示，隨著錨桿直徑的增加，頂板、兩幫以及底板的變形量總體上呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。從細(xì)節(jié)分析來(lái)看，當(dāng)錨桿直徑從16 mm 增大至18 mm 時(shí)，井巷圍巖變形得到明顯控制；但是，當(dāng)錨桿直徑從18 mm 增大至20 mm 時(shí)，對(duì)井巷圍巖變形的控制效果反而變差，而隨著錨桿直徑的繼續(xù)增大對(duì)圍巖變形的控制效果又變好。分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)錨桿直徑為18 mm 和24 mm 時(shí)，對(duì)井巷圍巖變形的控制效果幾乎一致?？紤]到錨桿直徑越大，越增加施工難度，最終確定的最佳錨桿直徑為18 mm。

3.3 錨桿間距對(duì)井巷圍巖變形的影響

本節(jié)對(duì)間距為 600 mm、700 mm、800 mm、1 000 mm 以及1 200 mm 錨桿的支護(hù)效果進(jìn)行研究，所選取錨桿的長(zhǎng)度為24 mm，錨桿直徑為18 mm。仿真結(jié)果如表5 所示。

如表5 所示，隨著錨桿間距的增加，對(duì)井巷頂板和兩幫圍巖變形的控制效果變差；而底板圍巖的變形量呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。綜合分析，當(dāng)錨桿間距為700 mm 時(shí)，對(duì)底板圍巖的控制效果最佳，且對(duì)頂板和兩幫的控制效果也較好。因此，針對(duì)3 號(hào)煤層工作面最佳錨桿間距為700 mm。

4 結(jié)論

錨桿支護(hù)為綜采工作面常見的支護(hù)方式，根據(jù)不同的支護(hù)工作面所對(duì)應(yīng)的支護(hù)參數(shù)不同。為保證綜采工作面的支護(hù)效果，需充分結(jié)合實(shí)際地質(zhì)、煤層等條件綜合確定錨桿參數(shù)[5]。本文采用數(shù)值模擬手段重點(diǎn)對(duì)錨桿參數(shù)對(duì)井巷圍巖變形的控制效果進(jìn)行對(duì)比分析，得出3 號(hào)煤層工作面最佳錨桿支護(hù)參數(shù)如下：錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm，錨桿直徑為18 mm，錨桿間距為700 mm。

表5 錨桿間距對(duì)井巷圍巖變形的影響 mm