煤巷锚杆支护参数数值模拟优化.pdf

202017 年第 8 期 煤巷锚杆支护参数数值模拟优化 朱朝峰 （华晋焦煤有限责任公司 沙曲一矿 , 山西 吕梁 033000） 摘 要 以沙曲一矿 22618 工作面胶带巷为模型，通过 FLAC3D对多方案的锚杆支护参数进行了模拟研究，提出了新的 支护优化方案。矿压监测结果表明，优化后的锚杆支护方案具有安全、支护成本低的优点。 关键词 煤巷 锚杆 优化 中图分类号 TD353.6 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2017.08.011 Numerical simulation on optimization of coal roadway bolting Zhu Chao-feng Shaqu Coalmine of Huajin Coking Coal Company Limited，Shanxi Lvliang 033000 Abstract Based on the model of the 22618 belt roadway in FLAC3D, the bolt support parameters of multi scheme are simulated and a new support optimization scheme is put forward. The comparative study of the original scheme and the optimization scheme is carried out on the 22618 belt roadway. The monitoring results show that the optimized bolt support scheme has the advantages of low safety and low supporting cost. Keyword coal roadway bolting numerical simulation support optimization 收稿日期 2017-04-10 作者简介 朱朝峰 1988- ，男，河北赵县人。2014 年毕业于东 北大学。助理工程师，主要从事煤矿生产技术工作。 山西离柳矿区沙曲一矿的煤巷锚杆支护多采用 工程类比法设计，基本能保证巷道的安全，但常常 过于强调顶板的支护强度，存在片面加长、加密、 加强顶锚杆及顶锚索，致使巷道支护耗材高、掘进 速度慢，影响煤矿的正常生产。合理确定锚杆支护 参数是煤矿面临的重要课题。 1 概况 1.1 试验巷道概况 22618 工作面位于北翼第二采区，工作面的盖 山厚度是 348528m，胶带巷沿 2、3煤顶板掘进， 煤层稳定，厚度为 3.5m。煤层直接顶为 1.1m 灰黑 色砂质泥岩，老顶为 4.43m 灰色中砂岩；直接底为 1.8m 深灰色粉砂岩，老底为 6.25m 细粒砂岩。该巷 道为矩形断面，巷道净宽 4.4m，净高 2.95m，净断 面积 12.98m2。 1.2 初始支护方案 顶 板 支 护 采 用“ 左 旋 螺 纹 钢 锚 杆 锚 索 钢 筋 网” 对 顶 板 进 行 支 护。 锚 杆 参 数 是 φ202200mm， 锚 杆 间、 排 距 为 0.850.9m， 中间四根锚杆垂直顶板设置，其余两根锚杆与 顶板成 80分别向巷道两侧设置。锚索参数是 Φ17.86500mm，锚索按五花两排布置排距 2700mm，第一排 2 根，间距为 1500mm，分别布 置在巷道中心线两侧，且与顶板成 80分别向巷 道两侧设置；第二排 3 根，间排距为 1200mm，中 间一根垂直顶板设置，其余两根布置在巷道中心 线两侧，与顶板成 80分别向巷道两侧设置。帮 部支护两帮采用“锚杆 铁丝网 梯子梁”进 行永久支护，按每排每帮 3 根布置，锚杆参数是 Φ202200mm，间、排距为 1.00.9m，每排锚杆 最上一根距顶板 0.3m。 2 支护参数数值模拟优化 FLAC3D是基于有限差分的岩土体模拟软件， 具有计算精度高、速度快等特点，在矿山工程中得 到了广泛应用 [1]。 2.1 三维模型的建立 图 1 所示为 FLAC3D软件生成的三维模型， 网格按岩层划分，并设 7倾角，结构模型尺寸为 303030m，巷道位于模型中部，沿巷道掘进方 向 30m，岩层总厚度 30m，巷道为矩形断面，尺寸 为 4.53.0m。为了尽可能准确地考察巷道围岩变 212017 年第 8 期 形和受力情况，模型中巷道位置单元网格布置较周 边密。 图 1 FLAC3D生成的三维模型 2.2 锚杆支护参数优化模拟 锚杆和锚索采用 FLAC3D程序内嵌的锚索结构 单元（cable），梯子梁采用梁结构单元（beam）， 钢筋网采用实体单元，利用材料参数赋值的形式实 现。结合相关技术资料列出支护材料物理力学参数 见表 1。支护结构效果图如图 2 所示。 根据 22618 皮带巷原锚杆支护方案，通过改变 锚杆和锚索的直径、根数、间排距及倾角等参数， 初拟定 10 种锚杆支护优化的数值试验方案。数值 实验方案见表 2。 表 1 支护材料物理力学参数 支护 材料 弹性 模量 / GPa 体积模 量/Gpa 剪切模 量/Gpa 泊松比 抗拉 强度 / Mpa 预应力 /KN 横截面 积 /cm2 锚杆 φ20 200133800.25300203.14 锚索 φ17.8 195130780.251860782.49 钢筋 网 5.1224.8920.2 梯子 梁 200133800.250.115 图 2 支护模型立面图 表 2 数值模拟方案及布置参数 方案 参数布置 顶板两帮 直径长度间排距距顶角直径长度间排距距顶板 原 始 锚杆2022008509001252022001000900300 锚索17.865002 排 5 根中线对称布置间距 1200 和 1500 排距 2700 1 锚杆2022008509001251822001000900300 锚索17.865002 排 5 根中线对称布置间距 1200 和 1500 排距 2700 2 锚杆2022008509001252022001000900500 锚索17.865002 排 5 根中线对称布置间距 1200 和 1500 排距 2700 3 锚杆2022008509001251824001000900300 锚索17.865002 排 5 根中线对称布置间距 1200 和 1500 排距 2700 4 锚杆1824008509001252022001000900300 锚索17.865002 排 5 根中线对称布置间距 1200 和 1500 排距 2700 5 锚杆2022008509001252022001000900300 锚索17.865002 排 5 根中线对称布置间距 1275 和 2550 排距 2700 6 锚杆2022008509001252022001000900300 锚索17.865003 排 5 根（2-1-2）中线对称布置间距 2550 排距 1350 7 锚杆2022008509001252022001000900500 锚索17.865002 排 5 根中线对称布置间距 1275 和 2550 排距 2700 8 锚杆2022008509001252022001000900500 锚索17.865003 排 5 根（2-1-2）中线对称布置间距 2550 排距 1350 9 锚杆1824008509001251824001000900500 锚索17.865002 排 5 根中线对称布置间距 1275 和 2550 排距 2700 10 锚杆182400850900125182400850900125 锚索17.865003 排 5 根（2-1-2）中线对称布置间距 2550 排距 1350 222017 年第 8 期 2.3 优化方案模拟结果 利用FLAC3D软件对以上各方案进行数值模拟。 为了便于与原方案的支护效果进行比较，统一以 1.5m 断面的监测数据作为比较标准。具体模拟结果 如表 3。 表 3 巷道变形量 各方案 顶板最大 下沉量 /cm 左帮水平位移 最大值 /cm 右帮水平位移 最大值 /cm 底板上鼓量 最大值 /cm 原方案2.92574.92824.45631.2890 优化方案 1 2.92454.95994.45851.2864 优化方案 2 2.66724.39044.28581.2065 优化方案 3 2.85734.80024.37721.2646 优化方案 4 2.86084.91194.44191.2889 优化方案 5 2.95964.92544.45891.2890 优化方案 6 2.94914.95044.45451.2891 优化方案 7 2.69874.41164.29201.2066 优化方案 8 2.69054.40894.29681.2074 优化方案 9 2.59604.34044.23891.1872 优化方案 10 2.58974.34714.24091.1864 2.4 确定现场施工支护方案 由优化方案模拟结果，结合对安全和经济两方 面因素综合考虑，除方案 5 的顶板变形幅度稍大外， 其余方案相对原方案均表现出更好地支护作用，其 中方案 10 的效果最好。 考虑到现场锚杆材料在直径和长度上无法及时 调配，为了确保巷道生产掘进正常进行，决定采用 优化方案 6 进行现场实施工业试验。方案 6 主要是 减少了顶板锚杆根数和改变了锚索布置形式。 方案 6 顶板支护锚索改为按五花三排布置， 排距 1350mm，第一排 2 根，间距为 2750mm，分 别布置在巷道中心线两侧，且与顶板成 80分别向 巷道两侧设置；第二排 1 根，垂直顶板设置；第三 排 2 根，间距为 2750mm，分别布置在巷道中心线 两侧，且与顶板成 80分别向巷道两侧设置；顶板 支护平面图如图 3 所示。 图 3 顶板支护平面图 帮部支护形式和原始方案一致。巷道支护断面 如图 4 所示。 图 4 巷道支护断面图 3 工业实践及支护结果 为对比研究优化后的方案和原方案对巷道围岩 的控制结果，22618 皮带巷自开掘至 900m 段后， 采用优化方案 6，并在巷道 700m 和 1000m 处设置 矿压监测测站，以检测巷道在开掘后的变形特征。 两测站监测到的巷道变形情况如图 5、6 所示。 图 5 700m 监测站巷道变形曲线 图 6 1000m 监测站巷道变形曲线 （下转第 24 页） 242017 年第 8 期 从位移监测曲线能看出，在巷道掘进 4 天以后， 距工作面约 80m，其巷道变形值基本趋于稳定，表 明在静压巷道中工作面推进对已支护巷道的影响只 在 50m 的小范围影响较大。根据 700m 和 1000m 断 面的监测曲线进行比较，可以得出利用优化方案 6 对巷道进行支护，在量值上未对巷道变形产生非常 显著的影响。结果表明，采用锚索代替原锚杆位置 进行替代支护没有减少巷道的总体支护强度。同时， 将一根锚索置于中部充分发挥了锚索的悬吊作用， 使得每 2.7m 减少了 4 根锚杆，该支护优化方案在 经济和安全上都是可行的。 4 结论 锚杆支护的巷道，最大的问题就是支护强度与 服务年限的关系。采用数值模拟、现场实践的方式， 是煤矿最终确定合理支护方式的正确途径。22618 皮带巷采用优化方案 6，安全上可靠、经济上合理， 每米巷道节约费用 128.82 元 /m，可推广应用。 【参考书目】 ［1］ 彭文斌 . FLAC3D 实用教程 [Z]. 北京 机械工业 出版社 , 2008. （4）注浆钻孔采用密度高、硬度强且不溶于 水的化学材料进行填堵，12501 顺槽巷注浆钻孔采 用凝固力 -FSS 无机加固材料进行封堵。 2.3 永久支护 （1）在撞楔超前支护及注浆支护前提下，继 续施工永久支护，顶板永久支护采用加长锚杆、锚 索及金属网联合支护。 （2） 顶 板 锚 杆 采 用 长 度 为 2.8m， 直 径 为 22mm 加长螺纹钢锚杆，加长锚杆主要对伪顶进行 加固稳定，锚杆锚固长度不得低于 1.5m，每根锚杆 配套三支树脂药，即一支快速型（MSK23/35）， 两支中速型（MSZ23/60）。 （3） 顶 板 锚 索 采 用 长 度 为 8.3m， 直 径 为 17.8mm 的加长预应力钢绞线，锚索锚固长度不得 低于 1.9m，每根锚索配套四根树脂药，即两支快速 型（MSK23/35）、两支中速型（MSZ23/60）。锚 索下端采用长度为 0.6m 的 11 工字钢梁加固预紧， 每排施工两根锚索， 锚索间距为2.0m， 排距为3.0m。 （4）顶板锚杆施工完后，采用力矩扳手进行 预紧，锚杆预紧力不得低于 150N.m，锚杆外露长 度不超过 3mm；顶板锚索采用打压千斤进行预紧， 预紧不得低于 120kN，锚固力不得低于 150kN，锚 索外露长度不超过 0.25m。 2.4 人工假顶施工 （1）在高冒区施工工字钢锚索吊棚，锚索长 度为 8.3m，钢梁长度为 3.5m，每根钢梁采用两根 锚索起吊，吊棚排距为 2.5m，共计架设 5 架吊棚， 吊棚起吊位置与设计顶板位置相同，如图 1 所示。 （2）吊棚施工完后依次铺设金属网、风带、 半圆木，半圆木长度为 3.0m，铺设时成“井”型， 铺设后必须与高冒区顶板接顶，不接顶处用道木或 木楔背紧。 （3）高冒区顶板假顶施工完后，采用专用高 压泵向假顶空隙处注射膨胀剂（罗克休填充剂）， 待高冒区内膨胀剂完全凝固后再继续喷浆。 图 1 12501 顺槽巷顶板高冒区联合支护断面示意图 3 结束语 巷道在施工期间经常遇断层、陷落柱等地质构 造，造成顶板局部冒顶、顶板大面积垮落等现象。 西山煤电集团屯兰矿在施工12501顺槽巷实践表明， 采取人工假顶 注浆联合支护方式，能够有效保证 施工巷道安全顺利通过高冒区，取得了显著成效。 【参考书目】 ［1］ 王宇飞 . 青磁窑煤矿回风延伸巷顶板高冒区支护 设计与应用 [J]．山东煤炭科技，2016（10） 42-43 ［2］ 李光勇 . 同家梁煤矿复合顶板推垮型冒顶控制技 术研究 [J]．陕西煤炭，2013（8）15-16 ［3］ 张荣瑄 . 缓斜煤层复合顶板事故的分析和预防 [J] ．中州煤炭，2001（8）38-41 ［4］ 魏臻 . 大断面综放沿空煤巷顶板破坏机制与锚索 桁架控制 [J]．采矿与安全工程学报，2017， （1） 12-13 （上接第 22 页）