A070401 倾斜煤层回采巷道锚杆支护参数数值分析

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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FLAC3D2.0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：①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；②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

2、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

3、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FLAC3D2.0，它是一种用于工程力学计算的有限差分程序，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

4、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

5、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。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

6、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、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

7、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锚索排距变化2230.723.0/2.5/2.07.0905/48锚杆直径变化

8、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