煤矿深部巷道锚杆支护优化设计研究

煤矿深部巷道锚杆支护优化设计研究

Research on the Optimization Design of Deep Coal Roadway Bolting

胡胜飞 HU Sheng-fei；李永超 LI Yong-chao；刘明谦 LIU Ming-qian；赵学军 ZHAO Xue-jun

（枣庄矿业集团蒋庄煤矿，枣庄 277519）

（Zaozhuang Mining Group Jiangzhuang Coal Mine，Zaozhuang 277519，China）

摘要： 针对深部巷道复杂的应力环境和多变的围岩性质，对深部巷道围岩的稳定特征进行了数值模拟和数据分析，为深部巷道锚杆支护提供了理论依据，并对锚杆支护参数进行了优化设计，确保了深部巷道支护的最优化和长期稳定。

Abstract: In view of the complex stress environment and changeable surrounding rock properties in deep roadway, this article carries out numerical simulation and data analysis to deep roadway surrounding rock stability, which provides a theoretical basis for deep roadway bolting, and the bolt support parameters are optimized, thus ensuring the optimization and long-term stability of the deep roadway bolting.

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关键词 ： 煤矿；深部巷道；锚杆支护；优化设计

Key words: coal mine；deep roadway；bolting；optimization design

　　中图分类号：TD322 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0110-03

0引言

我们国家经济的不断发展以及人民生活水平的不断提高和发展，离不开煤炭部门的支持，也正是由于我国对煤炭长期大量的需求，浅层地表煤炭资源已经所剩无几了，为了保证煤炭开采的质量和数量，我们现在对于深部巷道的煤炭挖掘需求呈现出越来越大的趋势。然而，深部巷道往往处于复杂的应力环境中，围岩应力分布与矿压显现异常，导致巷道不仅在采掘影响期间围岩急剧变形，而且在应力分布趋于稳定后仍保持快速流变，在两帮进行移动接近的情况下会产生十分明显的底鼓结构，这往往会直接产生前面挖掘后面重修、重复多次返工修理的情况。当前对于整个煤矿地下工程系列来说，其面临的最大挑战是如何控制深部巷道的围岩自身稳定性，同时，这个问题的解决可以直接影响到对于地下深层的矿井开采的可持续程度，对于煤矿开采过程当中的高产高效以及耗能降低有着极其深远的影响，也会直接影响到当前对于煤矿的深部开采持续健康的发展思路。在这种情况下，我们必须对深部的巷道围岩进行必要的优化设计，特别是锚杆部分。

影响巷道围岩的自身稳定性的因素有很多，比如地压、围岩的物理力学特点、巷道围岩自身的地质条件等，除此之外，还跟锚杆自身的支护方式、锚杆的长度以及互相之间的间距有着极大的关系干预。我们可以采用数值模拟的思路构建，对于某个煤矿的水平门拱顶、两帮以及基角自身的锚杆设计布置思路进行采树上的构建和优化，从而对围岩自身的稳定性控制以及锚杆的合理优化布置产生良好的影响。

1围岩自身的性质以及地应力探索分布

本文研究的煤矿岩层其构建主要是呈现出单斜体的构造，其主要的地质条件极其复杂，自身岩体的变化程度也相对较高，对于整个岩层的穿越材料，最长的分布带构建则是粉砂岩或者是红层砂岩，其次是煤层的复合岩体地段构建、灰岩岩体构建和细砂岩岩体构建，其他的构成成分是断层基础之上的破碎带构建。进行围岩的锚杆支护优化思路构建方式我们可以按照最为典型的岩性地段进行分段的进行。根据上文提到的情况，我们可以挑选四种典型岩性地段来讨论，即粉砂岩地段、红层砂岩低段、细砂岩地段和复合岩性地段。

根据这四种最为典型的岩性地段在整个当前区域的所处方位构建，经过岩石力学框架构建下的参数试验测量和定性，这四种最为典型的围岩所构建的单向压力抗衡强度可以见表1。

从表1可以看出，整个煤矿的第四系表土涂层厚度并不大，整个石门深埋的深度约为840m，因此经过简单计算我们可知其垂直地应力约为22MPa左右。根据地应力的实际测算结果我们可以知道，实际的垂直应力和上面的岩层覆盖的自重应力应该是一致的，因此其主要的应力应该构建为水平应力，根据计算可以知道其主要的值应该是其垂直应力构建下的130%，在这种情况下，水平构造角的应力也应该相当突出。因为其地形构建，其最大的水平应力其形成的方向应该是跟东西方向进行26°的夹角，其主要的数值应该是22*1.3约为28.34MPa，和石门自身的夹角约为76°，那么石门自身的侧向水平地应力的计算就应该是28.34*sin76°=27.5MPa。

2基于围岩自身稳定特征构建下的数值模拟思路探索

在这种计算的前提下，我们可以采用有限元数值的计算思路，对于石门的粉砂岩段进行模拟和研究，对于其自身的稳定性特征进行了计算，分析和讨论周边岩石的力学位移特征、围岩破坏区域的发育形态构建和整体围岩自身的分布特征。构建整体计算模型岩层组合时可参考巷道的粉砂岩段的实际的岩层柱状，整体的模型宽度和高度都是60m，下部的两个方向位移约束边界x、y为（u=0，v=0），同时两侧岩翼x方向上的位移约束边界的u=0，整体上部构建下的垂直地应力作用下所产生的压强为21.8MPa，而同时整体的水平方向构造的地应力方向则为27.5MPa。

2.1 围岩应力分布特征探索

见图1。整体巷道的顶底板σx处于整体应力的集中状态，σy就处于整体的卸压状态，σx的横向施力作用就成为了当前巷道出现明显的底部鼓出以及顶部的岩石被破坏的主要原因。整个巷道的两帮σy的高度集中，整个盈利的顶峰位置就深入到了巷帮的内部结构当中，σx整体处于一种卸压状态，整条巷道两帮被破坏和移动的主要原因就是由于垂直向的高度应力和横向的卸压。整个巷道的基角处的σx以及σy都有着十分显著的集中，由于双方的压力程度同时会升高，因此很难破坏整个基角的深部岩体。

2.2 围岩整体的变形特征构建

如图2所示，争端粉砂岩的两帮移动的量和底部鼓出的变形都是比较明显的，但相对而言顶板下沉的分量比较小。

2.3 围岩破坏区的发育形态探索

如图3显示，粉砂岩段的向导顶部以及这段岩石的两帮破坏区域范围基本上相同，并且随着强度的指数降低，破坏范围就会呈现出指数上升的趋势。因为整个巷道的底板缺乏相应的支护作为防御，它是一种直线形状的构建，同时其深部水平的地应力也比较大，所以整个底板自身的破坏区域一定比顶部以及对应的两帮要大。

3锚杆支护参数的数值进行优化的模拟构建

当前数值模拟所获得的巷道围岩变形量跟实际的变形量进行对比的话，我们会发现两者之间在数量上会存在着一定程度的差别。但是一般说来，锚杆自身的布置方式所发生的改变对于整个围岩变形量的自身控制走向和发展态势是跟实际存在着符合的情况的。在这种情况下，我们如果基于数值模拟的思路进行优化处理，针对锚杆进行合理化布置，在理论上是可行的。

3.1 粉砂岩段的锚杆优化设置

首先是无支护。整体粉砂岩段在没有进行支护的情况下，其两帮的移动量能够达到38.8cm，顶沉17.2cm，底鼓14.7cm。

第二点就是原支护。如果我们采用现在使用的布置思路进行不变的安置（整体锚杆的长度设定为180cm，整体间排距设定为100cm*50cm）的话，两帮的移近量就可以缩短为16.9cm，同时顶沉达到7.7cm，底鼓部分则变化为15.4cm。当整体的巷道不产生支护的时候，整个巷道自身的周边都能够自然而然的对变形能进行释放，但是如果我们采用了锚杆支护之后，整个巷道的顶部和两帮的变形释放量会减少，而对底板的变形释放量会增加，从而使得底鼓部分相对于布支护的情况下在数值上产生明显的增加，因此使得整体锚杆的支护控制的效果达到一个很明显的收获。

第三点就是底鼓。整体巷道的底鼓量不会随着两帮和顶部资深的锚杆布置方式的变化而方式改变。

第四点就是锚杆间的排距构建。当锚杆的整体长度在密度相同的情况下，从180cm直接下降到160cm的时候，或者说从原有的180cm直接上升到200cm的时候，锚杆间的排距就会降低（从100cm*50cm变化成为100cm*70cm或者100cm*90cm），两帮的移近量呈现出增大的趋势，并且这种增加对顶沉量来说是正方向上的。换句话说，锚杆间的牌局变化相对于两帮移近量来说是有影响的，但是对于顶板自身的下沉量其影响不大。

第五点就是锚杆的长度。在相同的锚杆密度构建下，当锚杆的长度从原先的180cm下降到160cm的时候，或者反之增加到200cm的时候，整个巷道的围岩移近量基本上没有产生太大的波动，这就表明锚杆的长度如果在160cm到200cm之间来回浮动的话，对于围岩的整体控制效果差不多一样，没什么可加大减小的。

第六点是顶板的差异。当锚杆间的排距出现变化（从100cm*50cm变化成为100cm*70cm以及100cm*90cm）的情况下，在这个范围内，无论锚杆的整体长度是多少，其主要的支护效果还是跟密度为100cm*70cm比较接近，这个从另一个侧面说明了锚杆间排距对粉砂岩段的整体支护起着决定性的作用。

3.2 红层砂岩段的锚杆布置优化思路

首先是红层砂岩度段没有支护状态，两帮自身的移近量是6cm，顶沉量则达到了23.8cm，底鼓量则是27.9cm。如果采用原有的支护方式，两帮的移近量能达到27.3cm，并且顶沉量变化成为10.7cm，底鼓量则变化成为27.6cm。

其次是当两帮的锚杆间距保持在100cm*50cm同时排距降低到100cm*70cm的时候，因为侧向相对较高的地应力的作用下，两帮的移近量就会增加，顶沉量也随之降低。

由此可知，在整体的深部巷道中，如果一方面出现水平的应力相对较高、整体巷道的围岩比较平均都为软性岩石的条件构架下，如果我们提高了两帮的支护力、对顶部的支护力进行降低等方法是不可以的。我们应该采用均匀支护的思路，合理的方案是100cm*50cm，锚杆的长度应达到180cm。

3.3 细砂岩段构建下的锚杆布置优化思路

首先，细砂岩段其岩体的强度指数能够达到最高，降低锚杆对其的支护密度之后，对于支护效果仍然能够保障良好。

其次，细砂岩段的锚杆自身间距可以从原来的100cm*50cm直接下降到100cm*（70cm~90cm），整体锚杆的长度则可以由180cm下降到160cm。

3.4 复合岩石的锚杆布置优化

当煤15分布于巷道的两帮构建时，两帮的移近量就会产生特别大的数据，因此可以进行如下的设置：两帮煤15、粉砂岩的锚杆间排距要保持在100cm*50cm左右，锚杆的长度选用180cm的规格；顶部的粉砂岩其主要的间排距降低为100cm*70cm的时候，仍然保持原有的布置思路（100cm*50cm*180cm），在这里建议对于顶部的锚杆密度进行降低，同时泥灰岩可以不进行锚杆作业。

4结论

通过采用数值模拟方法，对煤矿岩层拱顶、两帮及基角的锚杆布置方式与参数进行了优化研究，从而确定了有效控制围岩稳定性的锚杆布置方式，有效避免了前掘后修、重复返修现象的出现。需要注意的是因为地形复杂，我们在进行稳定分析的时候，应该按照不同地段进行分别计算，按照不同强度，我们应该分成四部分进行讨论。数值表明，锚杆长度在160cm-200cm之间的控制效果没有多大差异，因此长度增加无意义，但是对密度控制的效果差异较大。底脚的锚杆对控制底鼓有着十分显著的作用，能够减小对底板的挤压，减小底鼓。

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