厚煤层拱梁耦合支护参数对围岩稳定性的研究

田志伟

（山西焦煤西山煤电西曲矿，山西 太原 030000）

引言

随着开采年限的不断增加，越来越多的易开采煤层被开采，且开采的重点逐步向着赋存条件较为复杂的煤层转移。在对厚煤层开采的过程中，巷道围岩受到采动影响发生较大程度变形，严重威胁着矿山的正常生产[1-2]，为了解决厚煤层开采巷道围岩变形大的问题，众多学者对厚煤层巷道变形进行过一定的研究。徐祝贺等[3]对特厚煤层采动影响下巷道围岩变形进行了研究，利用数值模拟对不同支护下的围岩应力位移场进行对比。发现采用加长锚杆与桁架锚索进行联合支护可以有效控制围岩变形，为相似地质巷道围岩的控制提供了借鉴。魏恒征[4]针对肖家洼煤矿巷道矿压显现剧烈的现象，利用FLAC-3D 数值模拟软件对5 种不同区段煤柱宽度下围岩应力位移场进行研究，给出合理煤柱宽度为30 m，并通过现场监测验证发现底鼓量最大值为165 mm，而顶板下沉量最大值为55 mm，巷道两帮的移近量最大为110 mm，较好地控制了巷道围岩的变形。本文利用数值模拟软件对厚煤层巷道变形进行研究，给出巷道变形及应力分布规律，为厚煤层巷道支护设计提供一定的参考。

1 锚杆锚索间排距对支护结构的影响分析

特厚煤层由于煤层内部夹层较多，且裂隙节理发育较好，使得煤层结构较为复杂，据研究，特厚煤层在掘进过程中巷道围岩变形呈现出顶板底板移近量小于巷道两帮移近量，当工作面进行推进时，巷道的变形量明显大于掘进阶段变形量。特厚煤层巷道的变形受到采动影响较大，距离工作面越远，扰动的影响越小。

为了分析锚杆锚索布置参数对围岩变形的影响，对不考虑原岩应力下锚杆锚索的间排距、锚杆锚索长度对厚煤层围岩的变形进行对比分析，分析单一因素下围岩的变形规律。

1.1 锚杆间排距

对不同锚杆间排距下的支护效果进行分析，锚杆间距为1 200 mm、1 000 mm、800 mm、700 mm 和600 mm，对应锚杆数分别为5、6、7、8、9 根，围岩的应力分布及组合梁参数如图1 所示。

图1 围岩的应力（kPa）分布及组合梁参数变化图

根据图1 可以看出，随着支护锚杆间距的减小（锚杆数量增多），巷道顶板位置形成的组合梁宽度及厚度均呈现增大的趋势。从梁体厚度随间距变化曲线可以看出，随着锚杆间排距的减小，组合梁的厚度逐步增大，当锚杆数为5 根和6 根时，组合梁的厚度几乎相同，锚杆从6 根增加至9 根组合梁厚度从1.96 m 增大至2.18 m。随着锚杆根数增大，组合梁的宽度逐步增大，但当锚杆根数为7 根增大至9 根的过程中组合梁的梁宽变化幅度较小，所以可知随着锚杆密度的增大，围岩的应力环境得到有效的控制，巷道的浅部岩层的松动圈稳定性加强。考虑到经济效益的问题当锚杆数大于7 根时，围岩稳定性提升幅度较小，所以合理的锚杆数为7 根，即间距为800 mm。同时根据对不同锚杆排距下组合梁的宽度及厚度等进行分析发现，当锚杆排距为800 mm 时组合梁的范围及其支撑能力均有了大幅度的提升，所以锚杆的间排距设置为800 mm×800 mm 较为合理。

1.2 锚索间排距

对不同锚索间距排距下的组合梁体积及最大压应力变化进行分析，组合梁体积及最大压应力变化曲线如图2 所示。

图2 组合梁参数随锚索间排距变化曲线

从图2 可以看出，随着锚索的间距不断增大，组合梁的体积也在不断增加，当锚索的数量为3 根时，此时的组合梁体积为18.4 m3，随着锚索数量增大至4 根和5 根时组合梁的体积虽然略有增加，但整体增加幅度较小。同时观察最大压应力随锚索间距的变化曲线可以看出，随着锚索根数的增大，最大压应力呈现出先增大后平稳再增大的趋势。当锚索根数为3 根时，最大压应力值为0.36 MPa，当锚索根数为5 根时最大压应力值为0.489 MPa。考虑到合理的经济效益后选择锚索根数为3 根即锚索的间距为2 000 mm。观察组合梁参数随锚索排距的变化曲线可以看出，随着锚索排距的增大，组合梁的体积及组合梁受到的最大压应力均呈现下降的趋势。当锚索的排距为1.6 m 时，此时的组合梁体积为65.6 m3，此时的拱中心受到的平均压应力为0.101 MPa。可以看出排距过大时，压应力承载区不能有效地叠加，支护作用不能得到有效的发挥，当锚索的排距为1.6 m时，此时的压应力承载区叠加，承载性能提升，承载拱结构的稳定性增加。

2 锚杆锚索长度对支护结构影响分析

对不同锚杆及锚索长度下巷道围岩的应力分布情况进行模拟，给出不同锚杆锚索长度下组合梁的结构参数变化特征如图3 所示。

图3 组合梁参数随锚杆锚索长度变化曲线

根据图3 可以看出随着锚杆长度的增加，组合梁的梁体积呈现线性增大的趋势，当锚杆的长度为1.8 m 时，此时的组合梁体积为11.7 m3，当锚杆长度增大至2.8 m 时，组合梁的体积为17.4 m3。而组合梁中心压应力呈现先增大后平稳的趋势，在锚杆长度为2.4 m 时压应力值区域稳定，此时既能发挥锚杆的主动支护效果也能保证组合梁的承载稳定性，继续增大锚杆长度虽然会增大组合梁的体积但锚杆受到剪切应力极易发生破坏，所以合理锚杆长度为2.4 m。观察组合梁参数随锚索长度变化曲线可以看出，随着锚索长度的增大组合梁体积呈现出线性增大的趋势，当锚索的长度为6 m 时，此时的组合梁体积为39.2 m3，当锚杆长度增大至12 m 时，组合梁的体积为78.2 m3。同时随着锚索长度的增大，组合梁中心压应力呈现先快速降低后逐步平稳的趋势，这是由于选用锚杆锚索联合支护时，锚索对浅部组合梁的承载性能会有一定的提升，但对组合梁压应力范围的提升较小，且随着锚索长度的增加，不仅不利于承载拱的支撑，还会降低承载力，所以锚索的长度不应当过长，所以合理的锚索长度为8 m。

因此优化支护方案为：运输巷断面尺寸分别为宽5 m、高4 m，巷道采用锚杆锚索联合支护。顶锚杆为Φ20 mm×2 400 mm 的左旋螺纹钢锚杆，锚杆的间排距800 mm×800 mm，一排布置7 根锚杆。锚索选用Φ17.8 mm×8 000 mm 高强度鸟笼锚索，一排布置3根锚索，间排距为2 000 mm×1 600 mm。帮锚杆选用Φ18 mm×2 400 mm 的蛇形扭矩应力锚杆，锚杆的间排距800 mm×800 mm，一排布置9 根锚杆。

3 结论

1）通过对不同锚杆间排距下围岩的应力进行模拟分析发现，锚杆间距的减小可有效提升组合梁的承载能力，同时排距的减小同样可以提升承载能力，但会引起应力集中。

2）通过对不同锚索间排距下围岩的应力进行模拟分析发现，随着锚索间距及排距的减小，锚索的有效承压应力区发生叠加，有效压应力区的范围增大，承载性能增加。

3）通过对不同锚索锚杆长度下组合梁特征进行分析发现，随着锚杆长度的增大，组合梁体积增大，承载性能增加，当长度大于2.4 m 时，压应力减小。同时锚索长度增大会导致支护效果降低，导致锚索破坏。