注浆锚索超前支护参数优化研究

周 玮

（山西焦煤西山煤电西曲矿， 山西 太原 030000）

引言

在我国厚煤层开采过程中，采煤工作面回采巷道超前支护问题一直影响困扰着矿井的开采，回采巷道超前段由于受到多重采动影响，使得回采巷道超前段矿压显现严重，对超前段进行安全有效的支护十分重要。我国矿井发生的事故中3 成以上是巷道顶板事故[1-2]。某矿回采巷道超前段支撑采用单体液压支柱，但由于其支护难度大、支护效率低的问题严重限制着矿井的出煤率[3]，因此本文以某矿为研究背景，利用数值模拟软件对不同注浆锚索支护参数进行研究，并通过现场实践，验证了利用注浆支护代替单体液压支柱的可行性，为矿井安全高效开采提供保障。

1 某矿回采巷道概况

某矿东西长约10.5 km，南北宽1.8 km，井田总面积15.1545 km2。工作面煤层赋存较为稳定，主采3 号煤层，煤厚7.4～8.9 m，煤层平均厚度为8.1 m，其中顶煤厚4.5～6.0 m，平均5.25 m。煤层走向近似南北，煤层倾角1°～3°，煤层倾角平均值为2°。煤层顶板及底板岩性如表1 所示。

表1 煤层顶板及底板岩性

2 数值模拟

采用注浆锚索超前支护技术能够改善锚索的受力，使锚索能够及时向巷道围岩提供相应的支护阻力。使得围岩的自身承载能力有了一定幅度的提升。将松散、软弱的围岩进行固着，从而使得围岩与锚索形成稳定锚固体，达到维护巷道稳定的作用，本文利用数值模拟软件对不同注浆锚索参数下的巷道锚岩体耦合效果进行分析，从而为回采巷道超前支护提供依据。

根据实际地质情况，选定FLAC3D 数值模拟软件进行模型建立，模型的尺寸设定为100 m×80 m×20 m，巷道的断面尺寸为4.2 m×4 m，对模型进行网格划分，由于本文计算模拟数据较多，所以在进行模型网格划分时，将模型尺寸进行粗划分，在保证计算精度的前提下尽量提升模型的运算速度。完成模型网格划分后对模型进行应力设置，根据计算施加模型上端载荷16 MPa，模型采用库伦- 摩尔屈服准则，完成模型的建立。对巷道塑性破坏规律进行研究，模拟云图如图1 所示。

图1 巷道塑性破坏云图

从图1 中可以看出，巷道塑性变形大致可分为三个阶段：

1）巷道回采初期，在此阶段内，巷道的浅部围岩应力状态改变。考虑到由于巷道断面尺寸较大，此时在巷道的顶底板中间位置出现拉伸破坏，围岩塑性区域快速扩展，在巷道四个肩角位置呈现扩散性向着四周发生扩展，破坏主要为剪切破坏形式，同时随着围岩破坏范围的不断深入，在软弱煤帮的煤体会出现大量的裂隙，裂隙的产生会释放能量，从而使得围岩塑性区范围快速增加。

2）巷道回采中期，在此阶段内巷道围岩的能量达到饱和，裂隙及围岩的塑性区快速增长，伴随着采动的影响和原岩应力的作用，此时在巷道的帮部及顶板出现较大面积的剪切破坏和拉伸破坏，同时会在顶板与煤层夹角位置出现应力集中，煤岩体的自承载力下降，巷道的围岩位移量快速增大。

3）巷道回采后期，在此阶段内，巷道的围岩支撑应力与原岩应力达到平衡状态，此时岩体塑性区也基本达到稳定状态。此时的顶板受自重形成弯曲的固支梁结构。岩层间受拉应力的影响，巷道顶板会出现一定的离层及裂隙，巷道围岩的完整性和承载力受到一定的影响。如果巷道的顶板岩层岩性较为软弱，会加剧帮部软弱煤体的破坏，最终导致巷道的失稳破坏。

对不同注浆锚杆参数下锚岩体耦合效果进行分析，首先对锚杆长度进行分析，选定锚杆长度分别为5200 mm、6200 mm、7200 mm，模拟云图如图2 所示。

图2 不同注浆锚杆长度下耦合云图

从图2 可以看出，当锚索长度选用5200 mm 时，此时通过应力分布可以看出，锚索预应力释放后，此时巷道的顶板发生变形。此时在顶板深部0～2500 mm 的范围内形成压应力承载结构。在锚索的底端与顶端压应力之间相互叠加，叠加的压应力值相对较小，所以对提升承载层的强度作用较小，同时在锚索的端部难以深入基本顶中稳定锚固，锚固效果较差。当锚索长度增加至6200 mm 时，此时在锚索顶板深部0～5000 mm 的范围内压应力值相互叠加，能够形成稳定承载结构。在锚索顶端和底端压应力集中区贯穿，压应力区域内形成完整有效的应力叠加，围岩承载层强度得到了较大幅度的提升，能够抵抗采动对顶板的影响。当锚索长度增加至7200 mm 时，此时在锚索顶板深部0～6000 mm 的范围内形成压应力叠加，但由于锚索长度过长，使得锚索顶端与底端压应力集中区虽能贯穿，但在压应力集中区域内数值变化较大，难以形成稳定的应力叠加，所以顶板的稳定性较差，对于采动的影响效果有限。所以可以得出最佳锚索的长度为6200 mm。

对不同锚索预应力进行分析，选定锚索预应力分别为100 kN、150 kN、200 kN，模拟云图如3 所示。

从图3 可以看出，当锚索产生的预紧力大于150 kN 时，此时锚索能够在巷道顶板岩层中形成有效的预应力，预紧力越大使得岩层中的预应力有效叠加效果越好，形成整体压应力区，从而改变开挖后巷道顶板的拉应力破坏形态。同时形成稳定的锚岩支护体承载结构，改善巷道围岩承载能力及围岩受力状态，预紧力同样能降低由于顶板沉降造成的煤柱应力集中及受力不均问题，达到稳定巷道的目的。

图3 不同注浆锚杆预应力下耦合云图

3 结论

1）通过数值模拟发现巷道塑性变形大致可分为三个阶段，分别为巷道回采初期、巷道回采中期、巷道回采后期。

2）当锚索长度为6200 mm 时，此时在锚索顶板深部0～5000 mm 的范围内压应力值相互叠加，能够形成稳定承载结构，耦合效果最佳。

3）当锚索产生的预紧力大于150 kN 时，此时锚索能够在巷道顶板岩层中形成有效的预应力，预紧力越大使得岩层中的预应力有效叠加效果越好。