摘要：煤炭在我国的一次性能源结构中一直处于主要地位，在国民经济中占有举足轻重的作用。由于我国的煤炭开采多采用地下开采，地质条件复杂，大多数巷道在服务期间还要经受采动的剧烈影响，煤岩巷道维护存在着较大难度。随着锚杆支护技术在煤矿巷道支护的广泛应用，确定合理的锚杆支护参数成了迫切需要人们解决的一个难题。 根据试验煤矿地质条件、工作面的布置方式和现有的煤炭回采技术等，使用当前世界上应用最为广泛的FLAC3D数值模拟软件模拟计算
试验工作面的围岩变形特征和矿山压力显现规律以及确定巷道锚杆支护的合理参数。模拟结果表明，煤层巷道锚杆支护是可行的，有利于改善巷道维护状态和安全生产状况。研究成果为煤层巷道锚杆支护提供了理论依据，并为类似条件下的巷道支护提供了有益借鉴。
关键词：煤矿开采；巷道支护；FLAC3D；锚杆
煤炭在我国的一次性能源结构中一直处于主要地位，随着石油、核能等能源的开发和利用，这一状况才在一定程度上得到了改变，但煤炭所占比重仍为70%左右，煤炭工业在我国国民经济中占有举足轻重的作用。但是，目前我国的煤炭多采用地下开采，巷道工程量巨大。由于开采地质条件的复杂性，且大多数巷道在服务期间还要经受采动的剧烈影响，所以煤矿巷道尤其是软弱煤岩巷道维护存在着较大难度。因此，探索正确的巷道支护理论、研究开发新的支护方法以及新的施工工艺成了迫切需要人们解决的一个重大难题。
近年来锚杆支护技术在煤矿巷道支护中得到了快速发展和广泛应用。然而，与锚杆支护广泛应用极不相称的是人们对大多数情况下锚杆的作用机理尚不清晰，锚杆支护理论也还存在有待进一步研究之处。
在实际工程中，煤矿巷道的围岩普遍具有强度低、节理裂隙发育等诸多不稳定因素，而且在锚固长度范围内常常没有稳固岩层，因此现有的锚杆支护理论难以满足煤矿巷道锚杆支护设计的需求。由于地下工程的复杂性，支护荷载、岩体强度与性质、岩石峰后强度与变形特征等问题目前还都难以得到定量化解答，理论分析方法的一些基本假设与客观状态还存在一定的差异；而且由于锚杆参数各种理论计算方法所依据的理论基础不同，加之计算中一些参数难以确定，计算结果存在局限性，在某些条件下不能应用。因此理论计算方法得到的计算结果，还只能是作为定性的参考。随着计算机技术的快速发展，数值模拟在井巷锚杆支护分析中得到了广泛应用。
一、数值模型的建立
以试验煤层工作面开采为研究对象，模拟煤层开挖过程中采场围岩应力场、位移场及塑性破坏区分布特征，并提取各单元的应力、应变值。
回采工作面推进过程中应力与变形特征与工作面长度、埋深、煤岩物理力学性质等因素有关。因此，针对平沟煤矿工作面实际情况，根据采矿工程问题的特点，模型岩层划分与工作面实际层位一致，工作面长度为251m，两个保护煤柱50m，模型上边界建到地表，最终计算的模型的尺寸大小为长度360.4m，宽度为286m，高度为269.18m，一共划分单元数为188370个，节点数为198660个，三维模型见图1。
二、回采巷道支护数值分析内容及方法
在地下开采过程中，为了形成回采工作面和将煤炭采出，必须开掘一系列巷道，而生产矿井每年掘进的巷道中采区内的准备巷道和回采巷道占 80%以上。巷道开挖破坏了巷道周围岩体中原始地应力的平衡状态，围岩应力需进行重新分布，并伴随着围岩的变形与破坏，严重的会导致巷道围岩的大范围失稳破坏。回采巷道大部分开掘在煤层中，因此巷道两帮和顶底板往往是强度较低的煤体或煤柱，巷道周围存在这种低强度介质或松散体，对巷道的维护不利。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆回采巷道的另一特点是邻近回采工作面，因此在不同程度上以不同方式受到回采工作面的采动影响，使采区巷道的围岩移动量大，常导致巷道断面严重缩小，并容易发生顶板局部冒落、巷道片帮、底板膨起等严重的矿压现象。 回采巷道应力分布与围岩控制的研究内容包括工作面切眼、回风顺槽和运输顺槽等巷道的应力分布和变形情况、不同尺寸断面条件下巷道围岩应力分布和变形特征等。为了维护好回采巷道，首先要掌握采区巷道的矿压显现规律，以便在此基础上制订出有效的巷道矿压控制措施，其中包括降低巷道围岩的应力，提高围岩的强度，对巷道进行有效的支护等等。目前,我国对于矿山压力规律研究的主要手段之一是实测，但受地质条件和现场生产的影响，对岩体物理力学属性变化和围岩变形规律的了解都有一定的局限性。随着计算机技术的发展，数值模拟分析围岩应力分布规律及其影响因素，为预测围岩稳定性、优化巷道设计、确定合理支护提供了重要依据。
三、巷道支护模拟研究
3.1巷道支护情况
（1）临时支护
巷道在掘进过程中采用前探梁作为临时支护。前探梁使用4寸钢管，长度3.8米，共用两根。采用锚杆下挂吊环，吊环内穿4 寸钢管，吊环采用Φ18 钢筋焊接而成，吊环直径 150mm。共做 8 个圆环，4 个使用，4 个备用。安装临时支护时，先将吊环拧在锚杆外露端，由外向里推移至工作面后，用木板将前探梁背紧，使其充分接顶，确保临时支护效果。
（2）永久支护
永久支护采用锚网方式，锚杆+钢筋梯子梁+金属网，锚索作补强支护。根据技术科提供的地质报告在整个顺槽施工过程中煤岩层特征不会发生大的变化，永久支护方式不会改变。整个巷道施工过程中如遇顶板破碎或易发生顶板冒落段，将根据现场顶板情况加强支护。
3.2巷道支护结果及分析
在锚杆锚索联合支护下，开轨道巷顶板的最大下沉量为9.6mm，为无支护的 92.3%，顶板在锚杆锚固范围内变形明显减少，在锚固范围内达到组合梁和组合拱效果。由图6看出巷道围岩的应力集中区域和应力集中程度都有所减小，说明顶锚杆能够抑制了其长度范围内岩体的松动，提高浅部围岩的承载能力。锚杆锚固之上的顶板各岩层应力和变形分布均匀，未出现明显离层，锚索锚固到稳定岩层之上，说明锚索起到了悬吊和减垮作用。采用锚杆支护后位移等值区域分布较均匀，说明变形协调性较好，锚杆支护系统和围岩在强度和刚度上耦合效果明显。巷道围岩变形得到了控制。
四、结论
通过对试验工作面回采巷道锚杆支护进行数值模拟研究分析，得出以下一些结论：
（1）采用锚杆支护巷道比未支护时应力和变形特征明显改善，说明在此地质条件下锚杆支护巷道是可行的，能够满足生产要求。
（2）得到试验工作面合理的锚杆支护参数，在确保巷道安全的同时，又使每根锚杆在支护过程中最大限度地发挥作用。研究结果为煤层巷道锚杆支护提供了理论依据，并为类似条件下的巷道支护提供了有益借鉴。
参考文献
[1]谢文斌，陈晓翔，郑百生．采矿工程问题数值模拟研究与分析[M]．徐州：中国
矿业大学出版社，2005，10：1．
[2]岳滨．数值模拟在采矿工程中的应用[J]．矿业工程，2008，6（6）：5-7．
论文作者:盛振强
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/3/21
标签：巷道论文; 围岩论文; 工作面论文; 锚杆论文; 应力论文; 顶板论文; 煤矿论文; 《基层建设》2017年第36期论文;