巷道锚杆—锚索耦合支护参数研究.pdf

第４２卷第５期能源与环保Ｖｏｌ  ４２Ｎｏ  ５２０２０年５月ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＭａｙ２０２０收稿日期２０２０－０１－０６；责任编辑陈朋磊ＤＯＩ１０．１９３８９／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－０５０６．２０２０．０５．０３１作者简介贾祺祺（１９８８），男，山西晋城人，助理工程师，２０１５年毕业于武汉理工大学，现从事煤矿掘进工作。引用格式贾祺祺．巷道锚杆锚索耦合支护参数研究［Ｊ］．能源与环保，２０２０，４２（５）１５３  １５６．ＪｉａＱｉｑｉ．Ｓｔｕｄｙｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｂｏｌｔ  ｃａｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｉｎｒｏａｄｗａｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０２０，４２（５）１５３  １５６．巷道锚杆锚索耦合支护参数研究贾祺祺（山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河煤矿，山西晋城０４８２０５）摘要根据某工作面实际工程概况，分析了巷道锚杆锚索耦合支护参数，设计了３种支护参数，模拟分析了巷道回采和掘进期间围岩变形特征，得到了最佳支护形式，然后采用数值模拟软件，分析巷道支护参数合理性，主要分析了锚杆预紧力、锚索长度、顶板锚杆数量等。研究为相似条件下巷道支护提供指导。关键词锚杆锚索；耦合支护；围岩变形；支护参数中图分类号ＴＤ３５３．６文献标志码Ａ文章编号１００３－０５０６（２０２０）０５－０１５３－０４Ｓｔｕｄｙｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｂｏｌｔ  ｃａｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｉｎｒｏａｄｗａｙＪｉａＱｉｑｉ（ＳｉｈｅＣｏａｌＭｉｎｅ，ＳｈａｎｘｉＪｉｎｃｈｅｎｇＡｎｔｈｒａｃｉｔｅＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎｃｈｅｎｇ０４８２０５，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏａｃｔｕａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｂｏｌｔ  ｃａｂｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｉｎｒｏａｄｗａｙ，ｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｕｒｉｎｇｍｉｎｉｎｇａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｏｆｒｏａｄｗａｙ，ｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｂｅｓｔｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｒｍ，ａｎｄｔｈｅｎｕｓｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｔｏａｎａｌｙｚｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｍａｉｎｌｙａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｐｒｅ  ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｂｏｌｔ，ｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｃａｂｌｅ，ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｒｏｏｆｂｏｌｔｓａｎｄｓｏｏｎ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｄｇｕｉｄａｎｃｅｆｏｒｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｕｎｄｅｒｓｉｍｉｌａｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｂｏｌｔ  ｃａｂｌｅ；ｃｏｕｐｌｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ；ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ０引言随着我国经济的不断增速，煤炭开采发挥着重要的作用。沿空留巷的巷道支护一直受到众多学者的重视，李全根等［１］研究了高应力软岩超大断面巷道锚杆＋锚索＋锚注动态耦合支护技术，采用“ 让压有度、刚强足够” 的软岩支护技术，对耦合支护的最佳时间进行了确定；苏学贵等［２］对高位复合顶板巷道锚杆锚索耦合支护进行了研究，采用ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟软件，分析了该类巷道顶板破坏特征，计算了锚杆锚索耦合加固机理，实测了掘巷道锚杆（索）工作载荷和围岩变形；王进锋［３］分析了高应力软岩回采巷道锚杆（索）耦合支护技术，以软岩的耦合支护理论为基础，采用现场监测及现场应用，分析了高应力软岩巷道围岩支护。本文采用数值模拟，分析了不同支护条件下巷道回采和掘进期间围岩变形特征，得到了最优的支护形式。１工程概况研究煤矿主要开采５号煤层，煤层厚度为５～７ｍ，平均６ｍ，采深为４６０ｍ，煤层倾角为３～１０，平均为７，属近水平煤层。研究工作面位于５号煤层一采区，北部为５０２７工作面，西部为５００９工作面，南部为５０２９工作面，研究巷道断面尺寸为５２００ｍｍ３１００ｍｍ。５０２８综放工作面采掘平面如图１所示。３５１２０２０年第５期能源与环保第４２卷图１５０２８综放工作面采掘平面Ｆｉｇ  １Ｍｉｎｉｎｇｐｌａｎｏｆ５０２８ｆｕｌｌｙ  ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃａｖｉｎｇｆａｃｅ２巷道耦合参数设计２．１耦合支护参数一巷道顶板采用长度为２４００ｍｍ，直径为２０ｍｍ的左旋无纵筋螺旋纹钢锚杆，锚杆排距为８００ｍｍ，间距为９４０ｍｍ，每排布置６根锚杆。顶板锚索采用长度６２００ｍｍ、直径２１．６ｍｍ的１７７０级低松弛钢绞线，锚索排距为１６００ｍｍ，间距为１８８０ｍｍ。巷道帮部采用长度为２４００ｍｍ、直径为２０ｍｍ的左旋无纵筋螺旋纹钢锚杆，锚杆间距为８００ｍｍ，间距为８００ｍｍ，每排布置４根锚杆。帮部锚杆垂直于墙体，帮部不布置锚索。耦合支护参数一的巷道支护参数如图２所示。图２耦合支护参数一巷道支护参数Ｆｉｇ  ２Ｒｏａｄｗａｙｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｏｕｐｌｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ２．２耦合支护参数二巷道顶板采用长度为２４００ｍｍ、直径为２０ｍｍ的左旋无纵筋螺旋纹钢锚杆，锚杆排距为８００ｍｍ、间距为９４０ｍｍ，每排布置６根锚杆。顶板锚索采用长度６２００ｍｍ、直径２１．６ｍｍ的１７７０级低松弛钢绞线，锚索排距为１６００ｍｍ、间距为１８８０ｍｍ。巷道帮部采用长度为２４００ｍｍ、直径为２０ｍｍ的左旋无纵筋螺旋纹钢锚杆，锚杆排距为８００ｍｍ，排距为７００ｍｍ，每排布置５根锚杆。巷帮侧实体煤的锚杆间距为８００ｍｍ，间距为８００ｍｍ，帮部锚杆垂直于墙体，帮部不布置锚索。与耦合支护参数一相比增加了１根锚杆。２．３耦合支护参数三巷道顶板采用长度为２４００ｍｍ、直径为２０ｍｍ的左旋无纵筋螺旋纹钢锚杆，锚杆间距为８００ｍｍ，间距为９４０ｍｍ，每排布置６根锚杆。顶板锚索采用长度６２００ｍｍ、直径２１．６ｍｍ的１７７０级低松弛钢绞线，锚索排距为１６００ｍｍ，间距为１８８０ｍｍ，在矩形巷道边角处，锚杆斜向帮部和水平夹角为７５布置。巷道帮部采用长度为２４００ｍｍ、直径为２０ｍｍ的左旋无纵筋螺旋纹钢锚杆，锚杆间排距均为８００ｍｍ，每排布置４根锚杆。煤柱一侧布置１根锚索，锚索长５２００ｍｍ，直径为１７．８ｍｍ，排距为１６００ｍｍ，布置在煤柱帮的中央。与耦合支护参数一相比增加了１根锚索。３耦合支护参数选择本文采用数值模拟［４  １０］，对该３种支护参数条件下，巷道回采和掘进期间围岩变形特征进行了模拟，结果如图３所示。由图３（ａ）可知，当巷道在掘进期间，实体煤帮巷道的变形量为７０ｍｍ，巷道煤柱帮的变形量为１５０ｍｍ，巷道围岩已经受到基本控制，但是巷道非对称变形特征并没有改善。在回采期间，实体煤帮巷道的变形量为１５０ｍｍ，巷道煤柱帮的变形量为３００ｍｍ，此时巷道非对称变形特征也很明显。由图３（ｂ）可知，当巷道在掘进期间，实体煤帮巷道的变形量为７０ｍｍ，巷道煤柱帮的变形量为１４５ｍｍ，两帮巷道变形量的差值为７５ｍｍ，和支护参数一相比，巷道非对称变形特征并没有得到改善。在回采期间，实体煤帮巷道的变形量为１５０ｍｍ，巷道煤柱帮的变形量为２９０ｍｍ，此时巷道非对称变形特征有所缓解。由图３（ｃ）可知，当巷道在掘进期间，实体煤帮巷道的变形量为７０ｍｍ，巷道煤柱帮的变形量为１００ｍｍ，两帮巷道变形量的差值为３０ｍｍ，和支护参数一、支护参数二相比，巷道非对称变形特征有所改善。在回采期间，实体煤帮巷道的变形量为１５０ｍｍ，巷道煤柱帮的变形量为２００ｍｍ，此时巷道非对４５１２０２０年第５期贾祺祺巷道锚杆锚索耦合支护参数研究第４２卷称变形特征明显缓解。图３不同支护条件下巷道回采和掘进期间围岩变形特征Ｆｉｇ  ３Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｄｕｒｉｎｇｒｏａｄｗａｙｍｉｎｉｎｇａｎｄｅｘｃａｖａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ综上所述，３种支护参数下，当巷道帮部打１根锚索时，巷道变形量有所降低，巷道非对称变形特征有所改善。因此综合考虑，耦合支护参数选择方案三。４巷道支护参数合理性验证（１）锚杆预紧力。不同顶锚杆预紧力的巷道顶板的应力场分布如图４所示。分别模拟分析了预紧力矩为１００、２００、３００Ｎｍ时巷道顶板的应力场分布。当预紧力矩为１００Ｎｍ时，锚杆高预应力区域主要为靠近托盘位置和锚杆底部，并且锚杆各预应力场相互独立；当预紧力矩为２００Ｎｍ时，锚杆高预应力区域也主要为靠近托盘位置和锚杆底部，但是预应力矩高于预紧力矩为１００Ｎｍ时，预应力沿锚杆近似呈“ 葫芦” 形；当预紧力矩为３００Ｎｍ时，锚杆各预应力场相互叠加，形成具有一定强度和厚度的承压拱。因此，当锚杆预紧力矩为３００Ｎｍ时为最佳。图４不同顶锚杆预紧力的巷道顶板的应力场分布Ｆｉｇ  ４Ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｒｏａｄｗａｙｒｏｏｆｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｏｆｂｏｌｔｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎ（２）锚索长度。根据数值模拟，得到顶板塑性区的高度为３０００～３５００ｍｍ，依据冒落拱理论，锚索长度应大于塑性区范围１０００ｍｍ，则得出，锚索长度设置为６２００ｍｍ。（３）顶板锚杆数量。根据数值模拟，分别模拟分析了顶板锚杆为５根和６根条件下巷道顶板预应力场分布，当顶板锚杆为５根时，顶板锚杆并未形成相互叠加的预应力场，不利于巷道的支护；当顶板锚杆为６根时，顶板锚杆形成相互叠加的预应力场，有利于巷道的支护，控制巷道变形，维护顶板完整性。５５１２０２０年第５期能源与环保第４２卷因此，当顶板锚杆为６根，锚杆间距为９４０ｍｍ时，此时巷道的支护效果最好。（４）煤柱帮有无钢筋梯子梁加固。煤柱帮应力区扩散如图５所示。图５煤柱帮应力区扩散Ｆｉｇ  ５Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆｓｉｄｅｓｔｒｅｓｓｚｏｎｅｏｆｃｏａｌｐｉｌｌａｒ由图５可知，当煤柱帮无钢筋梯子梁加固时，锚杆产生的压应力场相互不连接，呈圆形分布，此时产生的预应力场是相互独立的，不能够有效对围岩进行控制；当煤柱帮有钢筋梯子梁加固时，锚杆产生的压应力场相互连接，逐渐向梯子梁方向延伸，形成压应力圈。因此，在煤柱帮增加钢筋梯子梁加固，有利于预应力扩散，提高锚杆的整体支护能力。５结论根据具体的地质概况，提出了３种支护参数，采用数值模拟，分析了不同支护条件下巷道回采和掘进期间围岩变形特征，得到了最优的支护形式，最后对巷道支护参数合理性进行了验证。研究为相似地质条件的巷道支护提供了理论基础。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］李全根，陈泉建．高应力软岩超大断面巷道锚杆＋锚索＋锚注动态耦合支护技术［Ｊ］．煤矿支护，２０１５（３）１０  １５．ＬｉＱｕｎｇｅｎ，ＣｈｅｎＱｕａｎｊｉａｎ．Ｄｙｎａｍｉｃｃｏｕｐｌｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｂｏｌｔｓ，ａｎｃｈｏｒｃａｂｌｅｓ，ａｎｄｇｒｏｕｔｉｎｇｉｎｈｉｇｈ  ｓｔｒｅｓｓｓｏｆｔｒｏｃｋｓｕｐｅｒ  ｌａｒｇｅｓｅｃｔｉｏｎｒｏａｄｗａｙ［Ｊ］．ＣｏａｌＭｉｎｅＳｕｐｐｏｒｔｉｎｇ，２０１５（３）１０  １５．［２］苏学贵，李浩春，李彦斌，等．高位复合顶板巷道锚杆锚索耦合支护研究［Ｊ］．太原理工大学学报，２０１２（５）９４  ９６．ＳｕＸｕｅｇｕｉ，ＬｉＨａｏｃｈｕｎ，ＬｉＹａｎｂｉｎ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｂｏｌｔａｎｄａｎ  ｃｈｏｒｃｏｕｐｌｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｏｆｈｉｇｈ  ｌｅｖｅｌｃｏｍｐｏｕｎｄｒｏｏｆｒｏａｄｗａｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２（５）９４  ９６．［３］王进锋．高应力软岩回采巷道锚杆（索）耦合支护技术研究［Ｄ］．西安西安科技大学，２００８．［４］魏垂胜．大埋深软岩高地应力岩巷支护技术研究［Ｊ］．能源与环保，２０１８，４０（２）１７９  １８４．ＷｅｉＣｈｕｉｓｈｅｎｇ．Ｓｔｕｄｙｏｎｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｈｉｇｈ  ｓｔｒｅｓｓｅｄｒｏｃｋｒｏａｄｗａｙｉｎｌａｒｇｅｂｕｒｉｅｄｄｅｅｐｓｏｆｔｒｏｃｋ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０１８，４０（２）１７９  １８４．［５］张锁．特厚煤层巷道拱梁耦合支护结构与围岩稳定性控制研究［Ｄ］．太原太原理工大学，２０１７．［６］刘洪涛，王飞，蒋力帅，等．顶板可接长锚杆耦合支护系统性能研究［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１４，３１（３）３６６  ３７２．ＬｉｕＨｏｎｇｔａｉ，ＷａｎｇＦｅｉ，ＪｉａｎｇＬｉｓｈｕａｉ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍ  ａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｌｏｎｇａｎｃｈｏｒｂｏｌｔｏｎｔｈｅｒｏｏｆ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｎｉｎｇ＆ＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，３１（３）３６６  ３７２．［７］杨培举，刘长友，万志军．深部软岩巷道锚杆锚索耦合控制机理研究［Ｃ］／／中国煤炭学会开采专业委员会学术年会，２００６．［８］黄庆显，韩金生．深部高应力软岩巷道围岩整体锚注技术研究［Ｊ］．能源与环保，２０１８，４０（５）１９０  １９４．ＨｕａｎｇＱｉｎｇｘｉａｎ，ＨａｎＪｉｎｓｈｅｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄａｎｃｈｏｒｇｒｏｕｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｏｆｄｅｅｐｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓｓｏｆｔｒｏｃｋｒｏａｄｗａｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，２０１８，４０（５）１９０  １９４．［９］勾攀峰，辛亚军，张和，等．深井巷道顶板锚固体破坏特征及稳定性分析［Ｊ］．中国矿业大学学报，２０１２，４１（５）７１２  ７１８．ＧｏｕＰａｎｆｅｎｇ，ＸｉｎＹａｊｕｎ，ＺｈａｎｇＨｅ，ｅｔａｌ．Ｆａｉｌｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｏｏｆａｎｃｈｏｒｉｎｄｅｅｐｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，４１（５）７１２  ７１８．［１０］牛福龙．大同矿区侏罗纪下部煤层巷道锚杆与锚索变形能力匹配的研究与应用［Ｃ］／／深部岩体力学与工程灾害控制学术研讨会暨中国矿业大学，２００９．６５１