拖白煤矿锚杆支护参数优化研究

《云南煤炭》２００８年第三期　拖白煤矿锚杆支护参数优化研究　云南省地方煤矿事业局　韦晓吉　煤矿安全开采技术湖南省重点实验室　彭文庆　

摘要：以拖白煤矿＋１０００水平集中运输巷　为例。运用ＦＬＡＣ４．０数值模拟软件分别对顶锚　杆长度、帮锚杆长度、锚杆间距进行了优化研　究，结果表明锚杆支护参数的优化研究可显著　提高围岩的稳定性并提高矿井的经济效益。　关键词：锚杆支护数值模拟优化研究　１　引言　云南省红河州拖白煤业有限责任公司拖白　煤矿＋１ｏｏ０水平集中运输巷位于煤层底板中，埋　深４３０ｍ，距上部煤层的距离在１００ｍ左右，基　本不受采动影响。所处地层为二迭系上统龙潭　组的宫山砂岩层位中，其岩性为浅灰色薄——　中厚层状细粉砂岩与细粒石英砂岩互层，节理　裂隙发育。岩石的矿物组成为：以石英为主．　占５６％；绿泥石占３４％；伊利石占１０％。巷道　断面设计为半圆拱，净宽４．４ｍ，墙高１．１ｍ，原　设计支护方案为混凝土碹体支护，厚３５０ｍｍ。　由于后期巷道变形严重，又进行了Ｕ型钢加强　支护，但仍然未能控制住巷道的持续变形，碹　体严重开裂，一些地段甚至出现了冒落，两帮　收敛变形量大，达到６００ｍｍ以上，底鼓严重。　大部分地段都进行了２次掏底，累计底鼓量达　到６００ｍｍ以上。因此该矿研究采用锚杆支护已　成为必然。　锚杆支护作为一种有效的采准巷道支护方　参考文献：　易杰军　周中谟等．ＧＰＳ卫星测量原理与应　用．测绘出版社．北京．１９９７（２）　高井祥　肖本林等．数字测图原理与方法．中　国矿业大学出版社．徐州．２００１（４）　式，由于对巷道围岩强度的强化作用，可显著　提高围岩的稳定性，加之具有支护成本较低、　成巷速度快、劳动强度减轻、提高巷道断面利　用率、简化维护工艺、明显改善作业环境和安　全生产条件等优点，可提高矿井的经济效益，　因而成为世界各国煤矿巷道的一种主要支护形　式，代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。　２锚杆支护围岩强度强化的基本原理　锚杆和围岩是相互作用的统一体。应将锚　固体（锚杆和围岩形成的结构）看作统一的承　载结构来分析。锚杆支护能够改善不同破裂及　变形状态下的岩体（包括破碎区、塑性软化区　及弹性区）的力学参数，相应提高锚固区内岩　体的峰值强度、峰后强度及残余强度。锚固体　破坏前后的力学性能都较破裂岩体有所改善，　因而发生较大变形后，锚固体仍起作用。锚杆　支护能够增加周压，改善巷道周围岩体的应力　状态，而软弱破碎岩石强度对围压值十分敏感，　在低围压状态下随围压增加强度直线上升。锚　杆支护通过抑制围岩破碎区及塑性区的发展，　从而控制了巷道围岩的最终变形和破坏。　３锚杆参数优化的数值模拟试验　锚杆支护的影响因素有很多，主要有锚杆　长度，间排距，初锚力等，考虑到各因素对支　护效果的影响程度不一样，利用数值模拟计算　来对比各试验方案对支护效果的影响。通过变　

刘宏恺邓晓光等．Ｃａｓｓ４．０地形地籍成图软　件参考手册［Ｍ］．广州：南方测绘仪器公司．　天测科技．论文：手持式ＧＰＳ接收机地方坐　标测量经验介绍．２００４（１０）　

３９　拖自煤矿锚杆支护参数优化研究　化锚杆长度和支护密度，分析锚杆长度和间排　距对围岩变形的影响，以实现锚杆支护参数的　优化。　为获得有效的数值计算参数，从现场巷道　围岩取岩样，在实验室进行测试，确定最终有　效的岩体物理力学参数，见表Ｉ。　本次模拟将模型夯为４０ｘ３０＝１２００个单元，　且单元全部为四边形单元，如图１所示。　

表１巷道支护问题数值分析的围岩力学参数表　序号　岩性描述　重度Ｎ／ｍ。　剪切模量Ｍｐａ　体积模量Ｍｐａ　摩擦角度　粘聚强度Ｍｐａ　ｌ　泥岩　２．４８ｘ　１０　３ｘ１０２　６ｘ１０２　３０　１．０　２　粉砂岩　２．６ｘ１０　１．５ｘ１００　１．８ｘ１０　２９　１．５　３　砂质泥岩　２．５ｘ１０　１．０ｘ１０　１．５ｘ１０　２８　１．０　４　砂岩　２．６５ｘｌ０４　２．５ｘ１０３　２．５ｘ１０　３ｌ　４．０　５　煤层　１．２ｘｌ０４　０．９　１．３ｘ１０　２６　０．５　

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Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ。Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ　ＵＳＡ　．，　Ｄ　口　１由　

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图Ｉ数值模型网格划分　

３．１顶板锚杆长度优化　项板锚杆采用直径１８ｍｍ的左旋无纵筋等强　锚杆，设计不同的顶板锚杆长度模型，即建立　锚杆长Ｌ＝Ｉｍ，１．２ｍ，１．４ｍ，１．６ｍ，１．８ｍ，２．０ｍ，　２．２ｍ．２．４ｍ八个模型（帮锚杆长２．０ｍ，锚杆间　排距为０．７ｘ０．７ｍ）。通过模拟同一帮锚杆和间排　距，不同顶板锚杆长度条件下的变形特征，来　

优化顶板锚杆长度这一指标。锚杆参数见表２。　八种锚杆长度支护的巷围围岩变形模拟结　果如图２所示，可以看出，锚杆长度２．２ｍ时，　锚杆长度和岩体的藉合较好，顶板下沉量小，　之后随着锚杆长度的增加，变形不再显著，逐　步趋于稳定。因此在上述条件下，项板锚杆取　２．２ｍ较合理。　《云南煤炭》２００８年第三期　表２顶板锚杆支护参数表　

Ｉ长度／ｍ　间排距／ｍ　初锚力／ｔ　弹性模量／ＭＰａ　断面积／ｍｚ　屈服载荷／ｔ　直径／ｍｍ　１—２．４　０．７ｘ０．７　３．５　２．０６Ｅｌｌ　２．４５Ｅ－４　８．７　１８　

图２锚杆长度——顶板下沉量曲线　３．２帮锚杆长度优化　帮锚杆采用直径１６ｍｍ螺纹钢，建立项板锚　杆长度２．２ｍ条件下不同的帮错杆长度模型，即　

建立锚杆长Ｌ＝ｌｍ，１．２ｍ，１．４ｍ，１．６ｍ，１．Ｓｍ，　２．０ｍ，２．２ｍ，２．４ｍ八个模型（锚杆间排为０．７ｘ　０．７ｍ）。锚杆参数见表３。　

表３帮锚杆支护参数表　长度／ｍ　间排距，ｍ　初锚力／ｔ　弹性模量／ＭＰａ　断面积／ｍ　屈服载荷／ｔ　直径／ｍｍ　ｌ一２．４　０．７ｘ０．７　３．５　２．９４Ｅ５　２．０１Ｅ—４　４．１　１６　

Ｉ　７３０　ｌ　７２５　

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、　弋　

锚杆长度＼ｍ　图３锚杆长度——两帮下沉量曲线　八种锚杆长度支护的巷道岩变形模拟结果　如图３所示，可以看出，锚杆长度２．０ｍ时。两　帮移近量变小，之后随着锚杆长度的增加，变　

形较小。因此在上述务件下，帮锚杆取２．０ｍ较　合理。　３．３锚杆间排距优化　

４１　

～０　５　０　５　Ｏ　５一　一　量／＝雪＝　辩窭拖白煤矿锚杆支护参数优化研究　按前述优化结果，分别建立锚杆间排距为　Ｏ．５×Ｏ．５ｍ，０．６×０．６ｍ，０．７×Ｏ．７ｍ，０．７５×Ｏ．７５ｍ，　Ｏ．８×Ｏ．８ｍ，０．９×０．９ｍ和１．０ｘ１．Ｏｍ的七个模型．　分别模拟计算结果，以巷道顶板下沉量和两帮　移近量为指标，综合得出经济上、安全上最优　的锚杆间排距。　七种问排距的模拟结果如图４　６所示。可　以看出，锚杆间排距大于０．７￣０．７ｍ时，巷道顶　板下沉量和两帮移近量增大，特别是两帮移近　４２　量随间排距的增加较快，小于此间排距后，巷　道围岩变形的控制效果良好，但随间排距的减　小，对两帮移近量的影响越来越小，在间排距　为０．７５￣０．７５ｍ时，顶板下沉量和两帮移近量略　有增加。巷道底臌量随间排距的增加而减小，　在间排距为０．７￣０．７ｍ时，底臌量较小，小于此　间排距，底臌量增加较快，大于此间排距，底　臌量变化不明显。因此，锚杆间排距取０．７×　０．７ｍ较合理。　

图４顶板下沉量——间排距曲线　图５两帮移进量——间排距曲线　图６底臌量——间排距曲线　《云南煤　２００８年第三期　煤仓支护使用锚杆加注浆支护的试验　昆明　台金高等专科学校冶金与矿业学院　李志成　摘要：本文介绍煤仓使用锚杆加注浆的　技术方法进行支护，取得了成功和好的经济效　果，降低了煤仓的造价，缩短了工期，施工简　便，有效地扩大了煤仓的容积。　关键词：煤仓支护锚杆注浆　煤仓是矿井运输环节的重要储存转载设施。　采区煤仓的作用是储存采煤工作面的煤，缓冲　机车运输，把采煤工作面的煤炭储存起来，等　待电机车装运。井底煤仓的作用是把全矿井的　煤炭储存起来，待箕斗提升或胶带机运送到地　面煤仓储存。所以井底煤仓和采区煤仓是生产　４结论　４．１顶板锚杆长度小于２．２ｍ时，长度变化对巷　道顶板稳定性影响较明显，大于２．２ｍ后，长度　的变化对顶板的控制效果不再明显，并且锚杆　长度等于２．２ｍ时，顶板下沉量最小。帮锚杆长　度小于２．Ｏｍ时，长度变化对巷道顶板稳定性影　响较明显，大于２．Ｏｍ后，长度的变化对控制效　果不再明显。　４．２支护密度不变的条件下，当锚杆长度达到一　定值时，增加锚杆长度对巷道支护效果基本是　相同的，所以锚杆长度的选择主要依据是满足　组合拱的厚度。　４．３在锚杆长度一定时，间排距为０．７ｘ０．７ｍ时，　对巷道围岩变形的控制效果良好，且变形及塑　性区均趋于稳定的低值。　４．４在超前支承压力作用下，顶板锚杆长度取　２．２ｍ，帮锚杆长度取２．０ｍ。间排距取０．７ｘＯ．７ｍ　为既经济叉合理的指标。　参考文献：　［１］柏建彪，周华强，侯朝炯．沿空留巷巷　旁支护技术的发展［Ｊ］．中国矿业大学学报．　２００４，３３（２）：１８３—１８６　矿井必不可少的组成部份。　１　煤仓支护方式简介　目前许多矿山的煤仓采用钢筋混凝土浇灌，　多习惯查阅采矿设计手册，按煤仓壁厚度为　３００ｍｍ的钢筋混凝土浇筑成形，煤仓的体积大，　

一般直径大多在２．５米以上，长度在２０多米以　上，ｆ　２＇需要的材料多，成本较高。有的矿井采　用木材（内铺铁板）支护，每年需更换一次，　既不经济，又影响生产。如何来降低煤仓的造　价，是人们值得研究和讨论的问题。本人将锚　杆支护技术应用到煤仓的支护中，经过使用两　年多的验证，运转良好。实践证明，在煤仓中　

［２］侯朝炯，郭励生，勾攀峰．煤巷锚杆支　护［Ｍ］．江苏徐州：中国矿业大学出版社，　１９９９　［３］侯朝炯，何亚男，李晓．加固巷道帮、　角控制底鼓的研究［Ｊ］．煤炭学报，１９９５，２０　（２）：２２９—２３４　［４］侯朝炯，勾攀峰．巷道锚杆支护围岩强　度强化机理研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，　２０００，１９（３）：３４２—３４５　ｌ５ｊ　Ｍａ　Ｎｉａｎｊｉｅ＆Ｈｏｕ　Ｃｈａｏｊｉｏｎｇ．Ａｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｎ—　ｔｏ　ｐｌａｓｔｉｃ－ｚｏｎｅ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｓｔｒａｔａ　ｏｆ　ｇａｔｅｗａｙ　ａｆ－　ｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｂｕｔｍｅｎｔ　ｓｔｒｅｓｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　３１ｓｔ　Ｕ．Ｓ．ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ：２１　１－２１７，Ａ．Ａ．ｂａｌｋｅｍａＪ　Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ／Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ／１９９０　［６］张农，侯朝炯，王培荣．深井三软煤锚　杆支护技术研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，　１９９９，１８（４）：４３７—４４０　［７］靖洪文，付国彬，郭志宏．深井巷道围　岩松动圈影响因素实测分析及控制技术研究　［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９９，１８（１）：７０—　７４　［８］王元仁．深井困难条件下的巷道支护技　术［Ｊ］．煤炭科学技术，２００３，３１（２）９—１１