株柏煤矿急倾斜煤层锚网运巷支护机理研究与应用初立新

株柏煤矿急倾斜煤层锚网运巷支护机理研究与应用初立新

初立新赵光轩

（山东能源临矿集团株柏煤矿山东临沂）

摘要：通过对株柏煤矿原有掘进巷道矿压显现规律和回采时运巷的矿压显现规律进行研究，发现原有支护参数不能满足急倾斜煤层支护需要，运巷后期变形量大，维修工期长投入资金多。经过深入研究利用多种现金方法综合计算，确定巷道围岩松动圈范围及围岩变形后裂隙分布特征，改变原有支护设计计算方式和支护材料，优化急倾斜松软煤层巷道掘进支护设计。

1、简介

根据株柏煤矿煤层以及顶底板岩石特性，采用数值模拟方法，分析巷道应力及位移特征，提出与水平煤层或急倾斜煤层不同的应力分布状态；用FLAC3D数值模拟技术对巷道开挖后的拉应力范围进行数值模拟分析，通过模拟的拉应力区的范围借此得到锚杆的支护范围；利用钻孔摄像系统探测巷道煤层以及顶底板内部围岩变形后裂隙发育情况；通过数值模拟分析及有限元分析法，通过改变模型中锚杆的预紧力进行一系列的模型运算，最终获得合理的锚杆预紧力的大小，以达到复合顶板无离层的支护效果。

2、预紧力大小的设计

锚杆预紧力（安装载荷）的施加对顶板的影响范围可以理解为锚杆支护系统对围岩主动加固带的范围，通过影响范围内压缩加固带对顶板离层的控制状况，进而确定预紧力的大小。

从图1中可以看出，在锚杆预紧力较小时，锚杆只在两端形成相互分离的两个压力泡；随着锚杆预紧力的不断增加，压力泡的范围也在相应增加，以至两个压力泡相交重叠，形成一个垂直贯通的椭球形锚杆预紧力影响范围。锚杆预紧力越大，影响范围越大，压力泡重叠范围越大。从形态上来看，观测顶板离层的发育情况仅在一定的范围来进行（图1的A范围）。

图1单根锚杆安装载荷的压缩范围

应用有限元分析方法，通过改变模型中锚杆的预紧力进行一系列的模型运算，最终获得合理的锚杆预紧力的大小，以达到复合顶板无离层的支护效果。

通过不同的预紧力（1t、2t、3t、4t）的施加来观测顶板1200mm范围内（300mm、600mm、900mm、1200mm）的离层情况，进而确定合适的锚杆预紧力数值。

（1）对锚杆施加1t预紧力

从图2中可以看出，对锚杆施加1t的预紧力后，顶板300mm、600mm、900mm、1200mm处均出现了不同程度的离层情况，其中在600mm处的离层发育情况最为明显，预紧力的压缩范围应在600mm范围以内，不能形成重叠的压力范围。这也说明，在对锚杆施加1t预紧力的条件下，不能有效地控制顶板离层。

图21t预紧力放大后的顶板离层

（2）对锚杆施加2t预紧力

从图3中可以看出，对锚杆施加2t的预紧力后，顶板600mm、900mm、1200mm处均出现了不同程度的离层情况（但比施加1t预紧力情况下离层值变小），其中在900mm处的离层发育情况最为明显，施加2t的预紧力仍不能形成重叠的压缩拱。这也说明，对锚杆施加2t预紧力的情况下，不能有效地控制顶板离层。

根据株柏煤矿回采巷道复杂的应力情况，有限元分析所需的最小锚杆预紧力为4t。

3、锚杆支护范围设计

锚杆支护范围确定的原则是：锚杆的锚固段不能处于围岩的拉应力区中。所以，锚杆的长度为锚杆有效支护长度+锚杆锚固端长度。

根据经验锚固段长度不低于0.6m。

采用FLAC3D数值模拟技术对巷道开挖后的拉应力范围进行数值模拟分析，通过模拟的拉应力区的范围借此得到锚杆的支护范围。

锚杆支护范围对于控制巷道稳定至关重要，如果支护范围选择不合理，巷道容易发生整体变形。从图6中可以看出，巷道开挖后拉应力区的范围为1.4m，在拉应力区内的岩石处于松散破坏区，所以锚杆的支护范围至少为1.5m；根据实践经验，锚杆的锚固长度至少为0.6m，所以锚杆的设计长度至少为2.0m；考虑到一定的安全系数和巷道的空间尺寸，选择锚杆长度为2.2m。

结束语

根据上述计算株柏煤矿颠覆了以往锚网支护经验及方法，更换高强螺纹钢锚杆的同时，增加了锚杆长度，由以往的带式钢带更改为盘式钢带，在现场实际应用中，达到了巷道支护设计的最初目的，极大减少了巷道变形量，省去了沿空留巷后进行修理时间与资金投入，提高了现场安全保障。

参考文献

[1]孟建兵,等.沿空掘巷锚杆支护[J].矿山压力与顶板管理,2011.