科技信息 高校理科研究 深井软弱围岩萱道锚杆蓥数优化数值梗拟 江苏联合职业技术学院徐州机电工程分院夏孝够 ［摘要］本文针对白集矿锚杆支护问题，运用有限差分程序Ｉ％ＡＣ，对支护结构的锚杆参数进一步优化，包括锚杆的长度、间排距等， 参数优化数值模拟 出，锚杆长度２．Ｏｍ时，锚杆长度和岩体的耦合较好，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，顶板锚杆取２．Ｏｍ较合理。 为现场支护提供了理论依据。 ［关键词］软岩 锚杆１．前言 随着开采深度的不断增加，越来越多的巷道不得不布置在松软岩 层中，此类巷道变形严重，支护困难，因此软岩巷道支护问题的研究成 了目前工程界最为关注的问题之一。 ２．工程背景 ２．１地质条件 白集煤矿３４１２工作面地面标高＋３０．３一＋３０．５ｍ，工作面标高＋ ９１６．７～＋９４６．３ｍ，煤层厚度４．８ｍ，倾角７。，上分层采高２．４ｍ。直接顶为 层状灰色砂质页岩，厚约１．５—４．８ｍ；老顶为块状灰白色中细石英砂岩 厚约７～２０ｍ，裂隙发育；直接底为层状灰色页岩，厚约１．５ｍ，下部为厚 约０．４ｍ的煤层。本面是一个较平缓的向斜盆地，中间低，两边略抬起， 构造复杂，在松散软岩中布置巷道，底板也为煤层，围岩稳定性差，遇水 膨胀，加上地质构造复杂，构造应力大，断层多，中小断层极为发育，使 巷道掘进和支护十分困难，该矿在回采期间，回采巷道都产生了严重变 形，尤其工作面两道，顶底板下沉量多达ｌＯＯｅｍ。 ２．２支护现状 巷道断面形状为斜梯形，沿３煤顶板掘进，上宽３．２ｍ，下宽３．４ｍ，中 心高度２．５ｍ。该巷道采用锚梁网加锚索联合支护，其设计方案如下： 巷道顶板采用锚杆５根，加钢筋梁，巷道两帮分别用锚杆４根。巷 道顶板及两帮，均铺设金属菱形网，顶板锚杆采用铁托板，两帮锚杆采 用铁托板加木托板。锚杆排距为０．７－４－０．０５ｍ，间距０．７５±Ｏ．０５ｍ。巷道 内采用锚索加强支护，锚索打在两钢筋梁中间，沿巷道中心线布置，每 隔三根钢筋梁打两根，间距为２．２５ｍ，排距为２．１ｍ。顶板及两帮第一排 锚杆采用中１８ｒａｍ左旋无纵筋制作的等强锚杆，长２２５０ｍｍ，其它帮锚杆 采用 １６ｒａｍ螺纹钢加工而成，长１８００ｒａｍ。金属网采用１０＃铁丝编 制而成菱形网，顶板使用３．５×１．２ｍ，两帮使用２．５×１．２ｍ。钢筋梁使用 １６ｒａｍ圆钢加工而成，规格为３ Ｘ ０．１ｍ。铁托板采用１０ｍｍ厚钢板加工 而成，规格为１００×１００×ｌＯｍｍ，中间孔径２０ｒａｍ、１８ｍｍ，木托板采用 杂木加工而成，规格３５０ Ｘ ２００×５０ｍｍ，中间孔径２０ｒａｍ。锚索采用 １５．２４ｒａｍ高强度低松弛预应力钢绞线，长６．Ｏｍ，配套锁具及铁托板， 规格２００Ｘ １５０×１６ｒａｍ，中孔１８ｍｍ，预应力锚索安装后施加ＩＯＯＫＮ的预 紧力。锚固剂使用树脂锚固剂，型号为ＣＫ２３／３５、Ｚ２３／３５、Ｚ２３／５０型三 种，每根顶板锚杆使用ＣＫ２３／３５、Ｚ２３／３５各一卷，每根帮锚杆使用Ｚ２３／３５ 两卷，每根锚索使用Ｚ２３／５０两卷。 ３．锚杆参数优化 ， 锚网索支护的影响因素有很多，主要有锚杆长度，间排距，初锚力， 锚索长度，锚索密度，锚索预应力等，考虑到各因素对锚梁网索支护效 果的影响程度不一样，本节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，结合现场支护提供的支护方案，以实现深井回采巷 道锚杆支护参数的优化。 ３．１顶板锚杆长度优化 顶板锚杆采用直径１８ｍｍ的左旋无纵筋等强锚杆，在前述模型的基 本条件下，设计不同的顶板锚杆长度模型，即建立锚杆长Ｌ＝ｌｍ，１．２ｍ， １．４ｍ，１．６ｍ，１．８ｍ，２．Ｏｒｅ，２．２ｍ，２．４ｍ八个模型（帮锚杆长１．８ｍ，锚杆问排 距为０．７ Ｘ ０．Ｔｉｎ）。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１。 表１顶板锚杆支护参数 长度 间排距 初锚 弹性模 断面积 屈服 直径 ，ｍ ，ｍ 力／ｔ 量／ＭＰａ ／ｒｆ 载荷／ｔ ／ｍｍ ｌ～２．４ ０．７＊０．７ ３．５ ２．０６Ｅ１ｌ ２．５４Ｅ一４ ８．７ １８ 八种锚杆长度支护的巷道围岩变形模拟结果如图１所示，可以看 ３ｏＯ 、ｌ ２９５ ２９０ ２８５ 誉２８０ ２７５ Ｏ １ ２ ３ 锚降 图１锚杆长度一顶板下沉量曲线 ３．２帮部锚杆长度优化 帮锚杆采用直径１６ｍｍ螺纹钢，按前述优化结果，建立顶板锚杆长 度２．０ｍ条件下不同的帮锚杆长度模型，即建立锚杆长Ｌ＝ｌｍ，１．２ｍ， １．４ｍ，１．６ｍ，１．８ｍ，２．０ｍ，２．２ｍ，２．４ｍ］ｋ个模型（锚杆间排距为Ｏ．７ Ｘ Ｏ．７ｍ）。 锚杆参数见表２。 表２帮锚杆支护参数 长度 间排距 初锚力 弹性模 断面积 屈服 直径 ／ｍ ／ｍ ，ｔ 量，ＭＰａ ｌｉｔｆ 载荷／ｔ ／ｍｍ １～２．４ ０．７＊０．７ ３．５ ２．９４Ｅ５ ２．Ｏ１Ｅ一４ ４．１ １６ 八种锚杆长度支护的巷道围岩变形模拟结果如图２所示，可以看 出，锚杆长度１．Ｓｉｎ时，两帮移近量变小，之后随着锚杆长度的增加，变 形较小。因此在上述条件下，帮锚杆取１．８ｍ较合理。 量 目 ＼ 删 窿 锚杆长度／ｍ 图２锚杆长度一两帮移近量曲线 ３．３锚杆间排距优化 按前优化结果，分别建立锚杆间排距为０．５×Ｏ．５ｍ，０．６ Ｘ Ｏ．６ｍ， ０．７ Ｘ ０．７ｍ，０．７５ Ｘ ０．７５ｍ，０．８ Ｘ ０．８ｍ，０．９×０．９ｍ和１．０×１．０ｍ的七个模 型，分析模拟计算结果，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。 ２８１ ２８０ 重’ ＼ ＿吼 Ｏ ０ ２ ０．４ ０．６ ０．８ １ １．２ 间排距／ 图３顶板下沉量一间排距曲线 （下转第１３７页） 一１３５—