A070401 倾斜煤层回采巷道锚杆支护参数数值分析

1、倾斜煤层回采巷道锚杆支护参数数值分析单仁亮 刘晓峰 李 凯 潘彩君 谢 伟【中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083】摘 要 以云驾岭煤矿实测的岩层参数为基础，针对倾斜煤层回采巷道，建立数值计算模型，并通过改变顶板锚杆和锚索的直径、排距、倾角等建立了10种数值试验方案，应用FLAC 3D2.0进行数值计算，比较分析了倾斜煤层回采巷道中各支护构件在控制围岩变形方面的作用，得到了：倾斜煤层中的回采巷道支护应该以顶板、高帮下部、低帮上部和靠近低帮的底板为关键部位；顶锚索和锚杆由垂直于顶板改为竖直设置能更好的发挥悬吊作用，减小顶板下沉等重要结论。本研究可以为倾斜顶板巷道支护机理的研究

2、以及支护设计与施工提供参考。关键词 倾斜煤层 回采巷道 锚杆 锚索 数值模拟1 引 言由于煤岩的赋存条件限制，回采巷道的顶板往往存在一定大小的倾角，但人们至今对此类巷道支护的设计时，一般将其看作顶板水平的矩形或梯形巷道，以悬吊作用、组合梁作用、加固拱作用或围岩松动圈等的理论为基础，结合工程类比方法进行设计1。当顶板的倾角很小时，这种设计方法显然是适用的。但是随着倾角的增大，倾角对支护有效性及围岩稳定性的影响必然增大，依然采用这样的设计方法可能造成支护强度不足或过高，随之而来或者是开拓成本的加大，或者是因为存在安全隐患而影响正常生产。数值计算采用FLAC 3D2.0，它是一种用于工程力学计算的有

3、限差分程序，可模拟土、岩石等材料的力学行为。由于采用了显式拉格朗日算法及混合离散划分单元技术，该程序能够精确地模拟材料的塑性流动和破坏。与有限元法相比，FLAC解线性问题较慢，而解非线性问题较快，特别是在大变形和几何非线性的情况下，具有明显优势2, 3。FLAC用于岩土工程的研究与分析已经有20多年的历史3，我国较早将FLAC用于回采巷道锚杆支护研究的康红普研究员的研究结果表明，岩层不连续面的分布及力学性质对顶板岩层变形和锚杆受力影响最为明显2。本文以云驾岭煤矿400水平回采巷道支护为背景，重点对顶板为15°倾角的回采巷道顶锚杆、锚索的倾角、间排距等对支护效果的影响进行数值模拟，以期

4、发现一些规律，为改进锚网支护设计服务。2 数值模型建立2.1 力学模型与原支护结构由于巷道设计宽度为3.6m，为了保证计算结果的正确性，又不至于过于耗费时间，结构模型宽度、高度、进深均取30m。网格按岩层分区划分，并且为不均匀划分，三维结构模型单元57600个，节点61635个。坐标原点取在巷道断面中心位置，z轴向上，x轴向右，y轴指向进深。采用应力边界条件，模型的上表面施加均匀的垂直压应力，模型两侧面施加随深度变化的水平压应力，模型下表面x和y方向固定。采用程序内嵌的结构单元模拟各种支护构件。岩层与水平面xoy成15°角，巷道两帮为拟掘煤层，底板有一定量的底煤。模型岩层分布见图1。

5、巷道原支护设计采用锚、网+锚索联合支护形式，结构布置见图2所示。顶板设锚索2根（垂直于顶板）、锚杆3根，其中两根角锚杆与水平面呈一定角度布置；巷帮不设锚索但设锚杆，左帮5根锚杆，右帮4根锚杆，锚杆与锚索间隔设置。采用两种材料模型进行计算：一种是应变软化模型，模拟巷道直接顶、直接底及距巷帮3m内的煤层，其他范围内的岩层采用摩尔库仑模型3, 4。巷道全断面一次开挖，一掘一锚，模拟开掘进尺为3m，模拟开掘长度18m，观测断面设在进深1.5m处。 图1 模型岩层分布 图 2 原支护结构图2.2计算方案以云驾岭煤矿实测的岩层力学资料和原支护结构参数为基础，建立了十种模拟方案，通过改变顶板锚杆、锚索的直径

6、、根数、排距等参数，从顶板、两帮、底板的围岩变形和塑性区发展情况来研究各个支护构件在控制围岩变形方面的作用，比较论证各支护方案的合理性4，为有倾角顶板回采巷道的支护设计和施工提供参考。数值试验方案见表1。表1 数值模拟方案与支护参数序号试验方案顶板锚杆顶板锚索上、下帮直径/mm根数排距/m根数排距/m长度/m与顶板角度/°锚杆根数1无支护-2实际支护2230.723.07.0905/43单根锚索2230.713.07.0905/44无锚索2230.703.07.0905/45锚索竖直设置2230.723.07.0755/46锚索直径减小2230.723.07.0905/47锚索排距变

7、化2230.723.0/2.5/2.07.0905/48锚杆直径变化24/22/18/1430.703.07.0905/49锚杆竖直设置2230.703.07.0755/410锚杆排距加大2231.023.07.0905/43 数值试验结果与分析为了维护巷道围岩的稳定，控制顶板下沉、底臌、两帮的收敛，控制巷道周边塑性区的发展和巷道周边应力集中是非常重要的6。3.1无支护和原支护情况的模拟结果与分析掘进无支护情况下，巷道能够实现自稳，巷道上下帮及顶底板的收敛变形和巷道的剪切破坏区的分布如图3。巷道两帮收敛明显，上帮最大位移115mm，发生在竖直中间点偏下的位置，下帮位移最大点位于中间偏上位置，位

8、移绝对值为80mm。上帮的水平位移大于下帮，顶板最大下沉量为50mm，底板最大位移为45mm，顶板的位移绝对值大于底板。由图可知由于有底煤的存在底板距离下帮300600mm处的底臌值最大，而且对比上下帮的水平位移可知上帮的收敛变形要大于下帮。从剪切破坏区图可以看出顶板和上帮的剪切破坏范围和深度都较大，由理论分析可知这是由于上帮的暴露高度大于下帮，而且由于存在上覆倾斜岩层重力和原岩应力沿层理面的切向分量。因此倾斜岩层中回采巷道支护应该以顶板、上帮下部、下帮上部和靠近下帮的底板为关键部位。(a) 左帮 (b) 右帮(c) 顶板(d) 底板 (e) 塑性区图3 无支护时巷道围岩变形及剪切破坏区(a)

9、 左帮(b) 右帮(c) 顶板(d) 底板 (e) 塑性区图4 使用原支护结构时巷道围岩变形及剪切区分布巷道按照原设计进行支护后，巷道变形和塑性区范围得到较好控制。巷道上、下帮及顶底板的收敛变形和巷道的塑性区的分布如图4所示。上帮水平位移（除下部小部分为25mm外）大部分降到23mm以下，比无支护时减小了9mm以上。下帮大部分（除上部小部分为27.5mm外）位移小于21mm。顶板的最大下沉12mm，其它观测点小于11.3mm。由于底板没有相应的支护措施，所以可以看到此处的变形与无支护时基本相同。对比无支护情况围岩的剪切破坏范围大幅度减小，顶板处的剪切破坏减少明显。3.2顶锚索参数对支护效果的影

10、响计算表明，锚索的截面面积由182mm2减小为154 mm2时，顶板、上下帮的围岩变形和塑性区范围都没有明显的变化，但数量、间距和方向有重要影响。（1）数量的影响在方案3，4中，顶板的支护分别为无锚索和单根锚索，这两种情况的顶板最大下沉量分别为13.4mm和12.5mm，上帮和下帮的位移与原支护设计基本相同。比较无锚索，单根锚索和两根锚索的剪切破坏图5可以看出，随着锚索的根数增加塑性剪切范围呈逐渐减小趋势，这在顶板以上范围反映最为明显，再次证明了锚索对控制围岩（尤其是顶板围岩）变形的重要意义。(a) 无锚索 (b) 1根锚索 (c) 2根锚索图5 锚索根数对剪切区的影响（2）设置方向的影响由锚

11、索的悬吊作用原理：通过锚固在深部坚硬（完整）岩层上的强力锚索将下部有滑落移动趋势的潜在危岩、锚网支护体等吊起7。设置在顶板以上岩层中的锚索是作为一种一维受力构件来参与锚喷网联合支护的，它对岩层层理面切向抗剪强度增强提高是很有限的。原支护方案是将锚索垂直于顶板方向设置，不能充分发挥锚索的悬吊作用，故此试验将其改为竖直设置。修改锚索方向后，顶板最大下沉减小为11.25mm，顶板其它观测点均小于9.5mm，上帮、下帮和底板的位移基本不变。因此，将锚索由垂直顶板方向设置改为竖直设置能更好地控制顶板下沉。计算还表明，顶锚索竖直设置比原有的与顶板垂直设置剪切区稍有减小，但不太明显。 （3）排距的影响 通过

12、改变锚索排距来分别进行数值试验得到的结果如表2所示：表2 顶锚索不同排距时巷道变形结果比较表排距/m3.02.52.0顶板最大下沉/mm12.212.212.2上帮最大收敛/mm25.525.325.2下帮最大收敛/mm27.527.025.3由上边的结果比较看出随着锚索排距减小上帮和下帮最大收敛值均有减小，但是顶板的最大下沉却没什么变化。通过对比剪切破坏区发现顶板以上岩层中破坏区范围逐渐减小，但是变化不大。3.3 顶锚杆参数对支护效果的影响（1）间距的影响在不考虑设置锚索的前提下，当顶板锚杆间距由1.7m降低到0.85m时，也就是由3根增加为5根时，顶板的最大位移从12.2mm降到10.5m

13、m，上帮最大位移从25.0mm降到24.5mm，下帮最大位移从27mm降到26mm，顶板以上岩层内剪切破坏区范围明显减小，二者的剪切破坏区对比如图6所示。可见增加锚杆根数能改善巷道围岩受力状况，从而更好的控制变形。(a)顶板中间一根锚杆垂直于顶板 (b)顶板中间一根锚杆竖直设置图6 顶锚杆竖直对剪切区的影响（2）直径的影响顶板无锚索只设置5根锚杆条件下，当顶板锚杆直径由24mm减小到14mm时，围岩变形对比如表3。剪切破坏区范围有增大，但不明显，且主要发生在顶板岩层内。表3 巷道围岩变形与顶板锚杆直径的关系直径/mm2422顶板最大下沉/mm10.410.5上帮最大收敛/mm25.225.2下

14、帮最大收敛/mm25.326.0（3）方向的影响在不设置锚索的前提下，将顶板中间一根顶锚杆由垂直顶板改为竖直设置后，顶板最大下沉值从12.2mm减小到11.5mm，顶板以上岩层剪切破坏范围稍有减小，但不明显，见图7。因此，顶板中间锚杆竖直设置有利于控制围岩变形。(a)顶板中间一根锚杆垂直于顶板 (b)顶板中间一根锚杆竖直设置图7 顶锚杆竖直对剪切区的影响（4）排距的影响两根锚索前提下，顶板锚杆排距从0.7m增大到1.0m，顶板最大下沉量从12.2mm增大到14.2mm，增加了16.4%；上下帮位移值均增加4mm；底板底臌增加2mm，达到28mm。由此可以看出围岩变形对锚杆排距变化比较敏感。4

15、结 论以上数值模拟表明，在本论文研究的条件下： 倾斜煤层中的回采巷道支护应该以顶板、高帮下部、低帮上部和靠近低帮的底板为关键部位； 顶板锚索对限制顶板岩层的下沉和塑性破坏区具有一定意义，但锚索截面的增加（强度的提高）和数量的增多对顶板下沉和塑性破坏区的降低的作用不显著； 顶锚索和锚杆由垂直于顶板改为竖直设置能更好的发挥悬吊作用，减小顶板下沉。 减小锚杆间、排距有利与改善巷道围岩受力状况，能够显著的降低整个巷道的围岩变形。参考文献1陈炎光，陆士良. 中国煤矿巷道围岩控制. 中国矿业大学出版社，1994.2康红普. 回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析J. 岩石力学与工程学报，1999，18(5

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